Architecture de machines

Architecture de machines
Le microprocesseur
Cours 2003-2004
L’unité d’exécution
Mémoire
UAL
Données
&
Programmes
Unité de
commande
Fabrication
Fabrication(2)
Fabrication(3)
Présentation
Evolution de l’intégration: Processeurs x86
Microprocesseur = Unité Contrôle + UAL

L’Unité de contrôle
– Décodage des instructions
– Chargement des informations depuis la mémoire
dans l ’UAL
– Contrôle du flux du programme

L’Unité Arithmétique et Logique
– Réalisation des opérations
• Calculs entiers
• Calculs sur les nombres réels
• Comparaisons
Le langage machine

Ensemble d ’instructions élémentaires traitées
par le microprocesseur
– Environ un millier d’instructions
Branchements
Comparaisons
Calculs sur les réels
Calculs sur les entiers
Communication mémoire
Opérations «multimédia» (MMX…)
– Processeur Z80 utilisé en TP: 256 Instructions

Codage dans la mémoire
– « code instruction »

Assembleur :
– Représentation « lisible » du langage machine
– Mnémonique: représentation des instructions
De l’assembleur au code machine
OUTBUF EQU
NCB:
LD
INC
OUT
CP
JP
HALT
80H
A,'A'-1
A
(OUTBUF),A
'Z'
NZ,NCB
Les registres


Mémoires contenues dans le microprocesseur
Codés sur n bits
– Capacité de traitement du processeur
– 64 bits dans les microprocesseurs modernes
– 4/8 bits dans les processeurs anciens

3 types de registres
– Registres entiers : Traitement des nombres entiers
– Registres de contrôle : état et déroulement du
programme
– Registres calcul flottant
Principaux registres de contrôle

Registre d ’instruction : RI
– Code de l ’instruction courante

Registre de position dans le programme : CO
– Compteur Ordinal : adresse de la prochaine instruction à
éxecuter

Registre de pile : SP
– Permet de créer une « pile » dans la mémoire

Registres d ’état
– Etats du microprocesseur
• Débordements de capacité
• Comparaisons
• Mode d ’exécution

Accumulateur
– Registre de travail principal
Exemple d’instructions

Chargement depuis la mémoire
– LD Registre, Adresse : Place dans un registre le contenu de l’adresse
Chargement d’une valeur
– LD Registre, Valeur : Place dans un registre la valeur fournie

Sauvegarde en mémoire
– LD Registre, Adresse : Place dans la mémoire le contenu du registre

Addition
– ADD Registre1, Registre2 : Ajoute Registre2 à Registre 1
– ADD Registre, Valeur : Ajoute la valeur au registre

Multiplication (n’existe pas)
– Mult Registre1, Registre2 : Multiplie Registre1 par Registre 1
Mult Registre, Valeur : Multiplie le registre par la valeur

Comparaison
– CP Registre1, Registre2 : Compare le registre 1 au registre 2 et place les
bits d’état

Sauts inconditionnel
– JP, JR Adresse (ou libellé) : Effectue un saut inconditionnel vers
l’adresse spécifiée (ou le libellé pour simplifier)
L’horloge

Cadence les traitements dans l ’ordinateur
Cycle du microprocesseur <=> Traitements effectués en un top
d ’horloge
Détermine la vitesse du microprocesseur

Ne suffit pas pour connaître la performance réelle
d ’une machine
Liaisons avec la mémoire

Registre d ’adresse et registre mot
– Stockage de l ’adresse mémoire et de la donnée
– Sélection de l ’opération
• Lecture
• Ecriture
– Transfert

1 transfert par cycle au maximum
– Dépend de la vitesse du bus mémoire
– Processeurs actuels très dépendants de vitesses
d’échange
L’adressage

Adressage direct
– Spécification de l ’adresse
LD (0120H),A : Charge dans A la valeur contenue en 0120H

Adressage indirect
– L ’adresse à considérer est stockée (indirection)
LD BC, 0120H
LD (BC),A

Adressage indexé
– Utilisation d ’un registre d ’index (IX, IY sur Z80)
• Adresse = Base + index
LD (IX+3), 72 : Charge 72 à l’adresse IX+3

La pile
– Empilage (push) et dépilage (pop)
– En général pas de contrôle de ces opérations !
Exemple: le Z80
Structure complexe

2,5 unités d ’exécution
– Arithmétique
• Calcul et comparaison des nombres entiers
– Calcul flottant :
• coprocesseur mathématique => calcul sur les
nombres réels
– Unité multimédia
• MMX/SSE/3DNow! : exécution particulière de
certaines opérations
Exécution en pipeline

Exécution de plusieurs
instructions en même
temps
– Partage de l ’UAL
– 1 instruction prend « 1
cycle »

Pb :
– Vidage du pipeline
– Instructions de branchement
Exécution parallèle/prédictives

Mise à disposition de plusieurs UAL
– Problème de remplissage du pipeline

Exécution prédictive
Exemple: le pentium
Exemple: l ’Athlon
Exemple : le Pentium 4
Pipeline Réel



PIV : 20 Niveaux
PIII: 10 Niveaux
Athlon: 11 Niveaux
L’Hyper Threading

Simule deux processeurs
sur un seul
– 2 files d’exécution
– Mêmes UAL

Nécessite des applications
compatibles
– Augmente la disponibilité du
système
Optimisation de l’utilisation des ressources
RISC/CISC/VLIW



CISC
RISC
VLIW
Exemple de compilation : Factorielle
En algorithmique
Fact = 1
Pour i allant
de 2 a N
Fact = Fact * i
Fin pour
En C
Int fact(int n)
{ int i = 2 ;
int result = 1 ;
while(i <= N)
{ result *= i ; i++ ; }
fact = result ;
};
En assembleur
Load A, adresse de N
Load B, 1
Load C, 2
Boucle Cmp A,C
Jmp Fin
Mult B,C
Add C,1
Jmp Boucle
Fin
RTN