Les circuits intégrés numériques : Les microprocesseurs - Quiz
Les microprocesseurs
Le microprocesseur, souvent appelé CPU (Central Processing Unit), est le véritable cerveau d'un système informatique. Il exécute les programmes, effectue les calculs, traite les informations et coordonne le fonctionnement de tous les autres composants électroniques.
Depuis leur apparition au début des années 1970, les microprocesseurs ont profondément transformé l'informatique. Ils équipent aujourd'hui les ordinateurs, les serveurs, les smartphones, les consoles de jeux, les téléviseurs connectés, certains appareils électroménagers et de nombreux systèmes industriels.
Le principe de fonctionnement
Un microprocesseur exécute une suite d'instructions stockées dans une mémoire.
Chaque instruction correspond à une opération précise : effectuer un calcul, déplacer une donnée, comparer deux valeurs, accéder à la mémoire ou communiquer avec un périphérique.
Le processeur répète continuellement un cycle composé de plusieurs étapes :
- lecture de l'instruction en mémoire ;
- décodage de cette instruction ;
- exécution de l'opération demandée ;
- préparation de l'instruction suivante.
Ce cycle est réalisé des millions, voire des milliards de fois chaque seconde.
L'horloge
Toutes les opérations du processeur sont synchronisées par un signal d'horloge.
Chaque impulsion d'horloge rythme l'exécution des différentes instructions.
La fréquence d'horloge s'exprime en hertz (Hz).
Les premiers microprocesseurs fonctionnaient à quelques centaines de kilohertz. Les modèles actuels atteignent plusieurs gigahertz (GHz), soit plusieurs milliards d'impulsions par seconde.
Une fréquence plus élevée permet généralement d'exécuter davantage d'opérations par unité de temps, même si d'autres caractéristiques influencent également les performances.
Les instructions
Chaque processeur possède son propre jeu d'instructions, appelé ISA (Instruction Set Architecture).
Ces instructions permettent notamment :
- d'additionner ou de soustraire des nombres ;
- d'effectuer des opérations logiques ;
- de déplacer des données entre les registres et la mémoire ;
- de comparer des valeurs ;
- de réaliser des branchements conditionnels ;
- de communiquer avec les périphériques.
Les logiciels sont finalement constitués d'une longue suite de ces instructions élémentaires.
Les registres
Les registres sont de très petites mémoires extrêmement rapides situées à l'intérieur même du processeur.
Ils stockent temporairement les données et les résultats des calculs en cours.
Comme ils sont directement intégrés dans le cœur du processeur, leur accès est beaucoup plus rapide que celui de la mémoire principale.
L'unité arithmétique et logique
L'unité arithmétique et logique, appelée ALU (Arithmetic Logic Unit), réalise les calculs du processeur.
Elle effectue les additions, les soustractions, les multiplications simples, les comparaisons et les opérations logiques comme ET, OU ou NON.
Les calculs plus complexes peuvent être réalisés par des unités spécialisées intégrées au processeur.
L'unité de contrôle
L'unité de contrôle dirige l'ensemble du fonctionnement du microprocesseur.
Elle lit les instructions, les interprète puis commande les différentes parties du processeur afin qu'elles exécutent les opérations demandées dans le bon ordre.
Les mémoires cache
L'accès à la mémoire principale étant relativement lent, les processeurs utilisent des mémoires cache.
Ces mémoires très rapides conservent les données et les instructions les plus fréquemment utilisées afin d'accélérer leur accès.
Les processeurs modernes possèdent généralement plusieurs niveaux de cache, appelés L1, L2 et L3.
Le cache L1 est le plus rapide mais aussi le plus petit. Les niveaux suivants offrent une capacité plus importante au prix d'un accès légèrement plus lent.
Les cœurs de calcul
Les premiers microprocesseurs ne possédaient qu'un seul cœur de calcul.
Aujourd'hui, la plupart des processeurs intègrent plusieurs cœurs capables d'exécuter simultanément différentes tâches.
Les processeurs peuvent ainsi comporter deux, quatre, huit, seize cœurs ou davantage selon leur domaine d'utilisation.
Cette architecture améliore considérablement les performances lorsque plusieurs programmes ou plusieurs calculs sont exécutés en parallèle.
Les architectures CISC et RISC
Les microprocesseurs utilisent principalement deux grandes architectures.
Les processeurs CISC (Complex Instruction Set Computer) possèdent un grand nombre d'instructions parfois très élaborées. La famille x86, utilisée dans la majorité des ordinateurs personnels, appartient à cette catégorie.
Les processeurs RISC (Reduced Instruction Set Computer) utilisent un jeu d'instructions plus simple, ce qui facilite leur conception et améliore souvent leur efficacité énergétique.
L'architecture ARM, présente dans la plupart des smartphones et des tablettes, est aujourd'hui l'un des principaux représentants de cette famille.
Les bus de communication
Le processeur communique avec les mémoires et les périphériques grâce à différents bus.
Le bus de données transporte les informations.
Le bus d'adresses indique l'emplacement mémoire concerné.
Le bus de contrôle transporte les signaux de commande et de synchronisation.
La gravure des processeurs
Les microprocesseurs sont fabriqués selon des procédés de gravure extrêmement précis.
La taille des transistors est aujourd'hui de quelques nanomètres seulement.
Une gravure plus fine permet généralement d'intégrer davantage de transistors sur une même puce, d'augmenter les performances et de réduire la consommation électrique.
Les processeurs les plus récents contiennent plusieurs dizaines de milliards de transistors.
Les applications
Les microprocesseurs exécutent les systèmes d'exploitation, les logiciels de bureautique, les navigateurs Internet, les jeux vidéo, les applications scientifiques, les logiciels de traitement d'image, les serveurs web, les systèmes de calcul intensif et de nombreuses applications industrielles.
Ils coordonnent également les échanges avec les mémoires, les cartes graphiques, les disques de stockage, les interfaces réseau et les autres composants de l'ordinateur.
Quelques microprocesseurs célèbres
Le Intel 4004, commercialisé en 1971, est considéré comme le premier microprocesseur commercial.
Il fut suivi par les Intel 8080, Zilog Z80, Motorola 68000 et MOS Technology 6502, qui ont marqué les débuts de la micro-informatique.
Aujourd'hui, les familles Intel Core, AMD Ryzen, Apple M et les nombreux processeurs ARM équipent la majorité des ordinateurs, des serveurs et des appareils mobiles.