Le processeur (CPU, pour Central Processing Unit, soit Unité Centrale de Traitement) est le cerveau de l'ordinateur. Il permet de manipuler des informations numériques, c'est-à-dire des informations codées sous forme binaire, et d'exécuter les instructions stockées en mémoire.

Le premier microprocesseur (Intel 4004) a été inventé en 1971. Il s'agissait d'une unité de calcul de 4 bits, cadencé à 108 kHz. Depuis, la puissance des microprocesseurs augmente exponentiellement. Quels sont donc ces petits morceaux de silicium qui dirigent nos ordinateurs?

Fonctionnement

Le processeur (noté CPU, pour Central Processing Unit) est un circuit électronique cadencé au rythme d'une horloge interne, grâce à un cristal de quartz qui, soumis à un courant électrique, envoie des impulsions, appelées « top ». La fréquence d'horloge (appelée également cycle, correspondant au nombre d'impulsions par seconde, s'exprime en Hertz (Hz). Ainsi, un ordinateur à 200 MHz possède une horloge envoyant 200 000 000 de battements par seconde. La fréquence d'horloge est généralement un multiple de la fréquence du système (FSB, Front-Side Bus), c'est-à-dire un multiple de la fréquence de la carte mére.

A chaque top d'horloge le processeur exécute une action, correspondant à une instruction ou une partie d'instruction. L'indicateur appelé CPI (Cycles Par Instruction) permet de représenter le nombre moyen de cycles d’horloge nécessaire à l’exécution d’une instruction sur un microprocesseur. La puissance du processeur peut ainsi être caractérisée par le nombre d'instructions qu'il est capable de traiter par seconde. L'unité utilisée est le MIPS (Millions d'Instructions Par Seconde) correspondant à la fréquence du processeur que divise le CPI.

Instruction

Une instruction est l'opération élémentaire que le processeur peut accomplir. Les instructions sont stockées dans la mémoire principale, en vue d'être traitée par le processeur. Une instruction est composée de deux champs :

• le code opération, représentant l'action que le processeur doit accomplir ;
• le code opérande, définissant les paramètres de l'action. Le code opérande dépend de l'opération. Il peut s'agir d'une donnée ou bien d'une adresse mémoire.

 

Code opération

Champ opérande

Le nombre d'octets d'une instruction est variable selon le type de donnée (l'ordre de grandeur est de 1 à 4 octets).

Les instructions peuvent être classées en catégories dont les principales sont :

• Accès à la mémoire : des accès à la mémoire ou transferts de données entre registres.
• Opérations arithmétiques : opérations telles que les additions, soustractions, divisions ou multiplication.
• Opérations logiques : opérations ET, OU, NON, NON exclusif, etc.
• Contrôle : contrôles de séquence, branchements conditionnels, etc.

Registres

Lorsque le processeur exécute des instructions, les données sont temporairement stockées dans de petites mémoires rapides de 8, 16, 32 ou 64 bits que l'on appelle registres. Suivant le type de processeur le nombre global de registres peut varier d'une dizaine à plusieurs centaines.

Les registres principaux sont :

• le registre accumulateur (ACC), stockant les résultats des opérations arithmétiques et logiques ;
• le registre d'état (PSW, Processor Status Word), permettant de stocker des indicateurs sur l'état du système (retenue, dépassement, etc.) ;
• le registre instruction (RI), contenant l'instruction en cours de traitement ;
• le compteur ordinal (CO ou PC pour Program Counter), contenant l'adresse de la prochaine instruction à traiter ;
• le registre tampon, stockant temporairement une donnée provenant de la mémoire.

Mémoire cache

La mémoire cache (également appelée antémémoire ou mémoire tampon) est une mémoire rapide permettant de réduire les délais d'attente des informations stockées en mémoire vive. En effet, la memoire centrale de l'ordinateur possède une vitesse bien moins importante que le processeur. Il existe néanmoins des mémoires beaucoup plus rapides, mais dont le coût est très élevé. La solution consiste donc à inclure ce type de mémoire rapide à proximité du processeur et d'y stocker temporairement les principales données devant être traitées par le processeur. Les ordinateurs récents possèdent plusieurs niveaux de mémoire cache :

• La mémoire cache de premier niveau (appelée L1 Cache, pour Level 1 Cache) est directement intégrée dans le processeur. Elle se subdivise en 2 parties :
  • La première est le cache d'instructions, qui contient les instructions issues de la mémoire vive décodées lors de passage dans les pipelines.
  • La seconde est le cache de données, qui contient des données issues de la mémoire vive et les données récement utilisées lors des opérations du processeur.
  Les caches du premier niveau sont très rapides d'accés. Leur délai d'accès tend à s'approcher de celui des registres internes aux processeurs.
• La mémoire cache de second niveau (appelée L2 Cache, pour Level 2 Cache) est située au niveau du boîtier contenant le processeur (dans la puce). Le cache de second niveau vient s'intercaler entre le processeur avec son cache interne et la mémoire vive. Il est plus rapide d'accès que cette dernière mais moins rapide que le cache de premier niveau.
• La mémoire cache de troisième niveau (appelée L3 Cache, pour Level 3 Cache) est située au niveau de la carte mère.

Tous ces niveaux de cache permettent de réduire les temps de latence des différentes mémoires lors du traitement et du transfert des informations. Pendant que le processeur travaille, le contrôleur de cache de premier niveau peut s'interfacer avec celui de second niveau pour faire des transferts d'informations sans bloquer le processeur. De même, le cache de second niveau est interfacé avec celui de la memoire vive

Signaux de commande

Les signaux de commande sont des signaux électriques permettant d'orchestrer les différentes unités du processeur participant à l'exécution d'une instruction. Les signaux de commandes sont distribués grâce à un élément appelé séquenceur. Le signal Read / Write, en français lecture / écriture, permet par exemple de signaler à la mémoire que le processeur désire lire ou écrire une information.

Unités fonctionnelles

Le processeur est constitué d'un ensemble d'unités fonctionnelles reliées entre elles. L'architecture d'un microprocesseur est très variable d'une architecture à une autre, cependant les principaux éléments d'un microprocesseur sont les suivants :

• Une unité d'instruction (ou unité de commande, en anglais control unit) qui lit les données arrivant, les décode puis les envoie à l'unité d'exécution ;
  • séquenceur (ou bloc logique de commande) chargé de synchroniser l'exécution des instructions au rythme d'une horloge. Il est ainsi chargé de l'envoi des signaux de commande ;
  • compteur ordinal contenant l'adresse de l'instruction en cours ;
  • registre d'instruction contenant l'instruction suivante.
L'unité d'instruction est notamment constituée des éléments suivants :
• Une unité d'exécution (ou unité de traitement), qui accomplit les tâches que lui a données l'unité d'instruction. L'unité d'exécution est notamment composée des éléments suivants :
  • L'unité arithmétique et logique (notée UAL ou en anglais ALU pour Arithmetical and Logical Unit). L'UAL assure les fonctions basiques de calcul arithmétique et les opérations logiques (ET, OU, Ou exclusif, etc.) ;
  • L'unité de virgule flottante (notée FPU, pour Floating Point Unit), qui accomplit les calculs complexes non entiers que ne peut réaliser l'unité arithmétique et logique.
  • Le registre d'état ;
  • Le registre accumulateur.
• Une unité de gestion des bus (ou unité d'entrées-sorties), qui gère les flux d'informations entrant et sortant, en interface avec la memoire vive du système ;

Le schéma ci-dessous donne une représentation simplifiée des éléments constituant le processeur (l'organisation physique des éléments ne correspond pas à la réalité) :