Microprocesseur¶
Dans ce chapitre, nous allons explorer le fonctionnement de base d’un processeur. Nous avons précédemment vu le fonctionnement des systèmes logiques à partir desquels nous pouvons construire un processeur. Nous avons également exposé l’architecture de von Neumann qui décrit la façon dont le processeur s’insère dans son environnement qui constitue un ordinateur. Ici, nous allons détailler les différents éléments qui constituent le processeur et qui en assurent le bon fonctionnement.
Gordon Moore
Naissance 3 janvier 1929 / San Francisco 🇺🇸
(micro)-processeur
Le processeur est l’unité de traitement centrale de l’ordinateur. Il est construit avec des circuits regroupés en systèmes qui produisent des fonctions logiques et arithmétiques en suivant un programme et en utilisant des éléments de mémoire appelés registres. Un microprocesseur est un processeur construit avec un circuit intégré, c’est-à-dire un dispositif qui tient sur quelques cm2. Il n’y a donc que le taille qui fasse la différence.
L’horloge¶
Un processeur est un dispositif synchrone, ce qui signifie que les opérations à l’intérieur du processeur se déroulent de manière synchrone à un temps donné. Pour assurer cette simultanéité, il faut comme pour un orchestre, donner le tempo. Cette fonction de métronome est assurée par une horloge, ou un signal d’horloge. Cette horloge est constituée d’un simple signal carré dont la fréquence atteint aujourd’hui plusieurs gigahertz, c’est-à-dire plusieurs milliards de cycles par seconde.
La notion de synchrone
La notion de synchronicité est fondamentale. Sans entrer dans les détails ici, il faut relever que dans un système synchrone il est possible d’assurer une coordination et une cohérence des opérations, ce qui est impossible autrement. Cet aspect devient crucial dans les systèmes distribués qui ne disposent plus de la garantie de synchronicité.
L’accès à la mémoire¶
Rappel
Comme on l’a vu dans l’architecture de von Neumman, la mémoire contient le programme et les données du programme. Un programme peut donc se modifier lui-même en se modifiant dans la mémoire (c’est rarement un effet souhaité).
L’Unité Centrale de Traitement (UCT ou CPU en anglais pour Central Processing Unit) doit accéder à la mémoire. On parle de mémoire RAM pour Random Access Memory. Le processeur peut accéder à la mémoire en lecture ou en écriture. Les deux mécanismes sont très similaires, mais avant de regarder plus en détail comment cela fonctionne, il faut d’abord définir comment la mémoire est structurée. La mémoire RAM permet, comme son nom l’indique, d’accéder à tout moment à n’importe quel emplacement.
TODO: illustration
Pour y accéder, le processeur envoie d’abord l’adresse au module mémoire, puis lit ou écrit la valeur. Pour cela le processeur dispose d’un bus d’adressage. Il s’agit physiquement de câbles parallèles qui relient le processeur à la mémoire. La taille de ce bus ou sa largeur définit le nombre de connexions parallèles et dépend des caractéristiques du processeur et de la RAM. Chaque connexion transporte un bit, un bus de largeur 32 bits transporte 32 bits, ce qui permet d’adresser 232 adresses mémoire différentes (env. 4 Go). Le bus de données lui transporte les données entre le processeur et la mémoire (dans les deux sens). Ces deux bus, adresses et données, ne sont pas forcément de largeur identique.
TODO: illustration
Anecdote
Le processeur Intel 80286 (ancêtre des processeurs Pentium), sorti en 1982, présentait un bus de données de 16 bits et un bus d’adresses de 24 bits. De plus l’adressage par segments (relativement compliqué) réduisait l’adressage physique à un adressage sur 20 bits.
Il nous manque encore un élément: lorsque la mémoire voit une adresse apparaître elle doit pouvoir déterminer s’il s’agit d’une lecture ou d’une écriture. Pour cela deux connexions supplémentaires relient le processeur à la mémoire: une ligne enable et une ligne set. Lorsque la ligne enable est à 1, alors le processeur accède à la mémoire en lecture et sur le bus de données doit apparaître les données qui sont stockées dans la mémoire à l’adresse indiquée sur le bus d’adressage. Lorsque c’est la ligne set qui est à 1, alors la mémoire doit enregistrer les données à l’adresse indiquée.
Le contenu de la mémoire
Les instructions: La mémoire contient le programme sous forme de codes qui représentent des instructions à exécuter par le processeur. Ces codes correspondent à un jeu d’instructions propre à chaque modèle de proceseur. On parle de langage machine. Pour écrire de tels programmes, on utilise un logiciel de type assembleur, qui traduit les codes dans une représentation plus lisible.
Les données: Les données stockées dans la mémoire peuvent être des nombres, des lettres, des chaînes de caractères ainsi que des adresses d’autres emplacements en mémoire. On trouvera plus de détails à ce sujet dans le chapitre Représentation de l’information.
Exercice¶
L’unité de contrôle¶
L’unité de contrôle reçoit les instructions en provenance de la RAM. Elle s’occupe d’activer les composants qui doivent l’être dans le microprocesseur.
Les registres¶
Les registres permettent de stocker des valeurs, comme la RAM, mais directement à l’intérieur du processeur. Ils fonctionnent aussi en mode lecture ou écriture. C’est l’unité de contrôle qui détermine si un registre est utilisé en lecture ou en écriture avec deux fils de connexion: enable et set. En principe ces registres stockent les informations en provenance de la mémoire ou le résultat d’un calcul. Il existe trois registres plus spécifiques:
Le registre d’état¶
Le registre d’état regroupe les drapeaux (en anglais flags). Ils servent à renseigner l’état d’exécution du processeur. Par exemple le drapeau dépassement s’il est mis à 1 signal qu’un dépassement de capacité et survenu, ou encore le drapeau division par zéro signal une division par zéro.
Le compteur de programme¶
Le compteur de programme (registre PC pour Program Counter) contient l’adresse mémoire de la prochaine instruction devant être exécutée. En principe l’unité de contrôle l’incrémente de un après chaque instruction, mais certaines instructions qui permettent de se brancher ailleurs dans le programme modifient différemment ce registre.
Le compteur de pile¶
Le compteur de pile (registre SP pour Stack Pointer) contient la position sur une pile. Cette dernière est une zone mémoire à laquelle on ne peut pas accéder aléatoirement, mais uniquement en empilant ou dépilant des éléments.
L’unité arithmétique et logique¶
L’unité arithmétique et logique (UAL plus communément appelée ALU en abréviation anglaise) effectue tous les calculs arithmétiques et logiques. Nous avons vu quelques-uns de ces composants comme l’additionneur dans la partie sur les systèmes logiques.
Exemple: le 6502¶
Le 6502, conçu en 1975, est le premier microprocesseur grand public avec un prix de 25$ (bien en-dessous des concurrents de cette époque). Une de ses premières utilisations pour le grand public fut la console de jeux vidéo Atari 2600. A partir de 1985, Nintendo équipe la NES d’une version modifiée du 6502. Il équipe aussi le célèbre Apple II. Il est encore fabriqué et commercialisé en 2014.
Fig. 30 Ce schéma détaille l’ensemble des transistors du 6502. On voit également quelques-uns des éléments principaux (horloge, registres, etc).¶
Activité
Ce simulateur reproduit le fonctionnement complet du 6502 jusque dans l’activité de chaque transistor le composant. On peut clairement visualiser la façon dont la complexité du fonctionnement de ce que l’on appelle communément le cerveau de l’ordinateur émerge de la quantité de dispositifs triviaux pris individuellement.
Observer le déroulement du programme proposé et tenter d’en déduire le fonctionnement. On pourra s’aider du désassembleur proposé sur la même page.
Modifier ou écrire un nouveau programme en allant sur la page Avanced.
Pour aller plus loin¶
Les microprocesseurs modernes ajoutent quelques éléments de complexité que nous n’avons pas exposés ici. Il s’agit notamment des éléments suivants.
Les multi-cœurs¶
Alors que dans le processeur que nous avons présenté, il n’y avait qu’une seule unité arithmétique et logique, ce qui limitait notre processeur à une opération par cycle d’horloge, l’industrie fournit aujourd’hui des microprocesseurs qui sont capables d’effectuer plusieurs opérations simultanément. Pour cela, ces derniers sont dotés de plusieurs cœurs capable d’effectuer chacun une opération. Mais cette mise en parallèle des opérations ne se fait pas sans difficultés. De la même manière qu’il serait extrêmement difficile pour plusieurs personnes d’écrire un texte en tenant le même stylo, il est compliqué de partager un calcul entre plusieurs unités de traitement.
Le pipeline¶
Comme nous l’avons vu, l’exécution d’une instruction par le microprocesseur implique plusieurs opérations: accès à la mémoire en lecture et en écriture, accès aux registres en lecture et en écriture, opération logique. Pour optimiser la vitesse d’exécution, les processeurs modernes effectue en série ces opérations. Ainsi alors que les opérations logiques d’une instruction sont effectuées, l’instruction précédente est déjà chargée en mémoire. La difficulté de ce type d’optimisation réside dans le fait que des branchements conditionnels provoquent l’annulation des instructions déjà chargées. Pour optimiser encore ce genre de procédé, les processeurs font de la prédiction dans l’exécution. Ces optimisations sont extrêmement compliquées à gérer.
Anecdote
La vulnérabilité Spectre (ainsi que d’autres vulnérabilités similaires) exploite justement cette fonction de prédiction dans l’exécution de branchement conditionnels pour accéder à des emplacements mémoire auxquels le programme ne devrait en principe pas accéder.