Tout savoir sur le matériel informatique Thème de l`exposé : Les

Tout savoir sur le matériel informatique
Thème de l’exposé : Les Processeurs
Date : 05 Novembre 2010
Orateurs : Hugo VIAL-JAIME
Jérémy RAMBAUD
STS Informatique de Gestion, 1ère année
Architecture Matérielle des Systèmes Informatiques
Sommaire :
1. Introduction............................................................................................................................................. 3
2. Historique................................................................................................................................................ 4
3. Relation avec les autres composants..................................................................................................... 5
4. Composition et fonctionnement interne............................................................................................... 6
4.1 Composition du processeur..............................................................................................................6
4.2 Fonctionnement.................................................................................................................................6
4.2.1 Cycle d'horloge..........................................................................................................................6
4.2.2 Cycle d'exécution d'instruction...............................................................................................6
4.3 Pipeline...............................................................................................................................................7
5. 64 bits, fréquence et multithread.......................................................................................................... 8
5.1 32 et 64 bits.........................................................................................................................................8
5.2 Les Fréquences..................................................................................................................................8
5.3 Multithread ( Multitâche )................................................................................................................8
6. Nouvelles technologies et limites de puissance..................................................................................... 8
7. Conclusion............................................................................................................................................... 9
Les Processeurs [VIAL-JAIME et RAMBAUD]
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Architecture Matérielle des Systèmes Informatiques
1. Introduction
Cœur du système, le processeur est le circuit réalisant tous les calculs et opérations logiques du système.
Son histoire, passée et à venir, ainsi que le rôle qu'il occupe dans un ordinateur seront nos objets d'études.
Nous commencerons donc par une bref présentation de l'évolution du processeur, de sa création à nos
jours.
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2. Historique
Le premier processeur voit le jour en 1969 sous le nom d' Intel 4004 par Marcian Hoff et Frederico
Faggin. Composé de seulement 2300 transistors pour une fréquence de 108 Khz, il n'est à l'époque
uniquement utilisé pour les calculatrices lorsqu'il est commercialisé en Novembre 1971.
La réussite commerciale de par la révolution informatique dont il est la source entraîne une forte et
immédiate demande de la part de tous les constructeurs du secteur micro-électronique. C'est en 1981
qu'apparaît le premier ordinateur personnel -fabriqué par IBM- équipée d'un processeur du nom de 8086,
et, un an plus tard, le premier concurrent ; AMD.
La loi de Moore datant de 1975 stipule que la puissance des processeurs doit doubler tous les deux ans,
ce qui resta valable la restriction physique de la taille minimum de gravure, ce qui donnera naissance aux
premiers processeurs multicoeurs.
Évolution des différentes capacités
Finesse
de
gravure
(µm)
Date
Nom
Nombre de
transistors
1971
4004
2 300
1974
8080
6 000
6
2 MHz
1978
8086
29 000
3
4,77 MHz
1982
80286
134 000
1985
80386
275 000
1989
80486
1 200 000
1993
Pentium
3 100 000
1997
Pentium II
7 500 000
1999
Pentium III
9 500 000
2001
2004
POWER 4
( IBM )
Pentium 4D
« Prescott »
42 000 000
125 000 000
2006 Core 2™ Duo 291 000 000
2007 Core 2™ Quad
2008 Core 2™ Duo
2*291 000
000
410 000 000
Fréquence
de l'horloge
108 kHz
Largeur
des
données
4 bits/4
bits bus
8 bits/8 bits
bus
16 bits/20
bits bus
MIPS
Premier
processeur
0,64
0,33
6 à 16 MHz (20 MHz 16 bits/16
1
chez AMD)
bits bus
32 bits/32
1,5
16 à 40 MHz
5
bits bus
32 bits/32
1
16 à 100 MHz
20
bits bus
32 bits/64
0,8 à 0,28
60 à 233 MHz
100
bits bus
0,35 à
32 bits/64
233 à 450 MHz
300
0,25
bits bus
0,25 à
32 bits/64
450 à 1 400 MHz
510
0,13
bits bus
0,18 à
32 bits/ 64
1,3 à 3,8 GHz
1 700
0,065
bits bus
0,09 à
32 bits/64
2.66 à 3,6 GHz
9 000
0,065
bits bus
64 bits/64
0,065
2,4 GHz (E6600)
22 000
bits bus
64 bits/64 2*22 000
0,065
3 GHz (Q6850)
bits bus
(?)
0,045
3,33 GHz (E8600)
64 bits/64 ~24 200
Les Processeurs [VIAL-JAIME et RAMBAUD]
Particularités
Premier
processeur 16
bits ( 1 Mio )
1,5
Premier 32 bits
Premier pipeline
2 pipelines
Premier double
coeur
Premier double
coeur d'Intel
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(Penryn)
Core 2™ Quad 2*410 000 00
2008
(Penryn)
0
2008
2009
2010
0,045
3,2 GHz (QX9770)
731 000 000
0,045
(2008)
0,032
(2009)
Intel Core i5/i7
774 000 000
(Lynnfield)
0,045
(2009)
2,66 GHz (Core i7
920)
3,33 GHz (Core i7
Ext. Ed. 975)
2,66 GHz (Core i5
750)
2,93 GHz (Core i7
870)
3,33 GHz (Core i7
980X)
Intel Core i7
(Nehalem)
Intel Core i7
(Gulftown)
1 170 000 000
0,032
bits bus
64 bits/64 ~2*24 20
bits bus
0
64 bits/64
bits bus
?
64 bits/64
bits bus
76383
64 bits/64
bits bus
147600
3. Relation avec les autres composants d'un PC
Comme tout composant d'un système informatique, le processeur doit avoir des relations avec les
autres composants. Il emprunte pour cela divers broches que l'on nomme « Bus» constitué de multiples
fils :
Bus de contrôle : Il véhicule des signaux binaires pour synchroniser les actions des autres
composants reliés au processeur.
Bus de données : Il transfert les instructions et les données entre processeur et mémoires.
Bus d'adresse :
Véhicule les adresses et données d'une instruction en cours d'exécution.
Stockage mémoire : Espace mémoire servant d'intermédiaire entre la mémoire vive ( RAM ) et le
processeur. Elle reçoit des demandes de données de la part du processeur, les transmets de la mémoire
vive au processeur, et inversement.
Le schéma suivant présente un récapitulatif :
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4. Composition et fonctionnement interne ( partie principale )
4.1 Composition du processeur
- ALU : Unité Arithmétique Logique ; réalise les 3
opérations logiques And, Or et Not.
- CU : Unité de Contrôle : Coordonne le
séquencement des étapes des instructions machines
( Fetch, Decode, Fetch Operands, Execute et le
stockage des résultats )
- Horloge : Synchronise les opérations en utilisant le
bus de contrôle ( actuellement environ 3.33 Ghz )
- Registres : Emplacement de mémoire à très haute
vitesse incluse dans le processeur lui même ; cela
permet de stocker les données nécessaires à l'exécution
des instructions.
4.2 Fonctionnement
4.2.1 Cycle d'horloge : C'est l'unité de temps minimum nécessaire à une instruction machine ( addition,
accès à une valeur en mémoire... ). Sur le schéma suivant, c'est le délai entre le passage de 1 à 0.
4.2.2 Cycle d'exécution
d'instruction :
Les différentes d'opérations
élémentaires nécessaires à
l'exécution d'une instruction
machine.
Le processeur doit ainsi
appliquer ces opérations
élémentaires, au nombre de 5 :
− Fetch ( Recherche ) : C'est l'unité de contrôle ( CU ), qui recherche la prochaine instruction à
exécuter.
− Decode : Détermine le type d'instruction à exécuter ( addition, AND, OR... ) et envoie à l'ALU
le type de l'instruction et les deux opérandes:
− Execute : L'ALU envoie la donnée résultantes vers l'opérande de sortie et met à jour le registre
de statut.
Lorsque l'instruction fait appel à la mémoire, deux autres opérations élémentaires apparaissent :
− Fetch operands
− Stockage de l'opérande résultante
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4.3 Pipeline :
Comme vu précédemment, chaque étape d'exécution demande au moins un cycle d'horloge :
Sans pipeline ( comportant 6 étapes ) :
Une nouvelle instruction ne pourra donc démarrer
qu'une fois que toutes les étapes de l'instruction
précédentes soient terminées.
Avec le système dit du « pipeline », une nouvelle instruction peut commencer dès le second cycle
d'horloge. Pendant ce temps, c'est la seconde étape de la première instruction qui est exécutée, engendrant
un gain de temps évident ( dans cet exemple, le nombre de cycle nécessaire est réduit à 7 au lieu de 12 ).
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5. 64 bits, Fréquence et Multithread :
5.1 32 et 64 bits
Le premier processeur de type 64 bits date de 1991 sous le nom d' Alpha.
La taille des registres passent de 32 à 64 bits, ce qui permet de stocker des valeurs plus importantes ( 2^64
), c'est à dire contenir des adresses plus grandes et ainsi de pouvoir adresser un espace beaucoup plus
important en terme de mémoire. Du point de vue matériel, les bus du processeur seront forcements
composés de 64 broches à la place de 32. Cependant, dans l'utilisation actuelle, ce procédé n'est pas
forcément très intéressant car le système d'exploitation doit pouvoir gérer les processeurs 64 bits et
malgré l'augmentation de vitesse qu'il peut apporter, il ne fournit en fait que peu de gains de performance
car les logiciels adaptés à ce type de processeurs restent rares.
5.2 Les Fréquences
Une fréquence est mesuré en Hertz : Un Hertz (Hz) défini la cadence du processeur, un hz correspondant
à une pulsation par seconde. Un Ghz représente donc un milliard ( 10^9 ) pulsations/s. Au jour
d'aujourd'hui, les processeurs tournent en moyenne à 3.3 Ghz.
Toutes ces données sont observables à partir de l'OS :
<inserer capture écran>
5.3 Multithread ( Multitâche )
Ce nom est attribué à un système d'exploitation lorsque plusieurs tâches peuvent être exécutées
simultanément. Pour réaliser cela, les applications sont constituées en « séquences d'instructions » - les
threads – et qui sont traitées une après l'autre, soit séquentiellement, soit selon un ordre de priorité. On
appelle planificateur le programme inclus dans l'OS qui gèrent ces propriétés. Cela permet de donner
l'apparence que plusieurs processus fonctionnent dans un même temps.
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6. Nouvelles technologies et limitations de puissance
Les processeurs, comme chaque composé électronique, dégagent de la chaleur. Ceci est particulièrement
vrai pour les processeurs actuels, très puissants mais gourmands en énergie. On utilise actuellement soit
la technique du ventirade, soit un système de watercooling. On ajoutera à cela la limite de taille de
gravure, comme vu précédemment. Pour répondre à ces problèmes, les multicoeurs ont fait leur
apparition. Cependant, le problème central persiste et de nouvelles technologies, bien qu'à l'heure actuel
reste expérimentales, commencent à apparaître : La plus célèbre étant celle des ordinateurs quantiques,
dont le premier processeur nommé Orion a fait son apparition en 2007. Ce processeur « font (...) appel à
des matériaux super conducteurs et des champs magnétiques pour organiser les Qubits.(...)Orion est
capable d’exécuter 64 000 calculs simultanément. » Les processeurs quantiques, bien qu'encore difficiles
à maîtriser, représentent un véritable enjeu technologique et annoncent une révolution à venir dans le
fonctionnement de tout ordinateur, car fonctionnant non plus en bits mais en Qubit. La différence est
fondamentale, schématisée simplement par le schéma suivant :
1 bit
1 Pbit ( à la fois 0 et 1 ) 1 Qubit, un état multidimensionnel
« En gros, le qbit peut être à la fois dans l'état 0 et l'état 1. Un peu plus concrétement, avec 4 bits, un
ordinateur classique peut traiter un état parmi 24 soit 16 états différents :
0000, 0001, 0010, 0011, etc. Dans un ordinateur quantique, les quatre qbits pourraient être dans une
supersposition de tous ces états. Dans cette situation, l'avantage de l'ordinateur quantique est de pouvoir
traiter simultanément les 16 états. »
7. Conclusion :
Nous avons ensemble découvert un aperçu de l'histoire du microprocesseur et de son fonctionnement
interne, ainsi que son évolution technologique impressionnante auquel il a fait appel au fil du temps.
Une certitude ressort de cette analyse ; Les processeurs, cerveaux et centre nerveux de l'ordinateur, sont
encore jeunes et loin de nous avoir démontré toutes leurs capacités, à l'image de tout l'univers
informatique...
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Sources :
– Tableau
processeur
:
Modifié
à
partir
du
document
trouvé
sur
http://fr.wikipedia.org/wiki/Microprocesseur
– Citation Orion : http://www.presence-pc.com/actualite/D-Wave-Orion-21814/
– Schéma et citation bit/Qubit : http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/lordinateurquantique_552/c3/221/p3/
– Image multithread : http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/6861
– Autres schémas : Nom du boukin
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