Microprocesseur - Définition et Explications

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Structure d'un microprocesseur

L'unité centrale d'un microprocesseur comprend essentiellement :

  • une unité arithmétique et logique (UAL) qui effectue les opérations ;
  • des registres qui permettent au microprocesseur (Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dans un unique circuit intégré....) de stocker temporairement des données ;
  • une unité de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) qui commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) du microprocesseur en fonction des instructions du programme.

Certains registres ont un rôle très particulier :

  • le registre indicateur d'état (flags), ce registre donne l'état du microprocesseur à tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) moment, il peut seulement être lu ;
  • le compteur de programme (PC, Program Counter), il contient l'adresse (Les adresses forment une notion importante en communication, elles permettent à une entité de s'adresser à une autre parmi un ensemble d'entités. Pour qu'il n'y ait pas d'ambiguïté, chaque...) de la prochaine instruction (Une instruction est une forme d'information communiquée qui est à la fois une commande et une explication pour décrire l'action, le comportement, la méthode ou...) à exécuter ;
  • le pointeur de pile (SP, Stack Pointer), c'est le pointeur d'une zone spéciale de la mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) appelée pile où sont rangés les arguments des sous-programmes et les adresses de retour.

Seul le Program Counter est indispensable, il existe de (rares) processeurs ne comportant pas de registre d'état ou pas de pointeur de pile (par exemple le NS32000).

L'unité de contrôle peut aussi se décomposer :

  • le registre d'instruction, mémorise le code de l'instruction à exécuter ;
  • le décodeur décode cette instruction ;
  • le séquenceur exécute l'instruction, c'est lui qui commande l'ensemble des organes du microprocesseur.

Rapidité d'exécution des instructions

Fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) de fonctionnement

Les microprocesseurs sont cadencés par un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes...) d'horloge (signal oscillant régulier imposant un rythme au circuit). Au milieu des années 1980, ce signal avait une fréquence de 4 à 8 MHz. Dans les années 2000, cette fréquence atteint 4 GHz. Plus cette fréquence est élevée, plus le microprocesseur peut exécuter à un rythme élevé les instructions de base des programmes.

L'augmentation de la fréquence présente des inconvénients :

  • plus elle est élevée, plus le processeur (Le processeur, ou CPU (de l'anglais Central Processing Unit, « Unité centrale de traitement »), est le composant de l'ordinateur qui exécute les programmes informatiques. Avec la mémoire notamment,...) consomme d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...), et plus il chauffe : cela implique d'avoir une solution de refroidissement du processeur adaptée ;
  • la fréquence est notamment limitée par les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de commutation des portes logiques : il est nécessaire qu'entre deux « coups d'horloge », les signaux numériques aient eu le temps de parcourir tout le trajet nécessaire à l'exécution de l'instruction attendue ; pour accélérer le traitement, il faut agir sur de nombreux paramètres (taille d'un transistor, interactions électromagnétiques entre les circuits, etc.) qu'il devient de plus en plus difficile d'améliorer (tout en s'assurant de la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) des opérations).

Overclocking (Le surfréquençage, ou overclocking en anglais, également nommé surcadencement (puisqu'on parle de machine cadencée à x, y GHz) est un mot du jargon informatique.)

L'overclocking consiste à forcer l'augmentation de la fréquence du signal d'horloge du microprocesseur (par rapport aux recommandations du fabriquant), afin de pouvoir exécuter plus d'instructions à chaque seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La...).

Optimisation du chemin d'exécution

Les microprocesseurs actuels sont optimisés pour exécuter plus d'une instruction par cycle d'horloge, ce sont des microprocesseurs avec des unités d'exécution parallélisées. De plus ils sont dotés de procédures qui « anticipent » les instructions suivantes avec l'aide de la statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode statistique à un ensemble de données. Dans...).

Dans la course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) à la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) des microprocesseurs, deux méthodes d'optimisation sont en concurrence :

  1. La technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) RISC (Reduced Instruction Set Computer, jeu d'instructions simple), rapide avec des instructions simples de taille standardisée, facile à fabriquer et dont on peut monter la fréquence de l'horloge sans trop de difficultés techniques.
  2. La technologie CISC (Complex Instruction Set Computer), dont chaque instruction complexe nécessite plus de cycles d'horloge, mais qui a en son cœur beaucoup d'instructions pré-câblées.

Néanmoins, avec la diminution de la taille des puces électroniques et l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la...) des fréquences d'horloge, la distinction entre RISC et CISC a quasiment complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité...) disparu. Là où des familles tranchées existaient, on observe aujourd'hui des microprocesseurs où une structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) RISC apporte de la puissance tout en restant compatible avec une utilisation de type CISC (la famille Intel x86 (La famille x86 regroupe les microprocesseurs compatibles avec le jeu d'instructions de l'Intel 8086. Cette série est nommée IA-32 (pour Intel...) a ainsi subi une transition entre une organisation (Une organisation est) initialement très typique d'une structure CISC. Actuellement elle utilise un cœur RISC très rapide, s'appuyant sur un système de réarrangement du code à la volée) mis en œuvre, en partie, grâce à des mémoires cache de plus en plus grandes, comportant jusqu'à trois niveaux.

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