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Architecture des ordinateurs

Licence Informatique - Universit

´e de Provence

Jean-Marc Talbot

jtalbot@cmi.univ-mrs.fr

L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs257 / 313Processeur : description - fonctionnement -

microprogrammation

L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs258 / 313Processeur : description

L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs259 / 313Au coeur du processeur

On trouve au sein d"un processeur :des

´el´ements de m´emorisation : (banc de) registres - cachedes ´el´ements de calcul : unit´e arithm´etique et logique (UAL-ALU) - unit ´es de calcul flottant (FPU - Floating Point Unit)des

´el´ements de commandes : unit´e de contrˆole/commandeL3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs260 / 313

Unit

´e de calculUnit

´e arithm´etique et logique : ALU

calculs sur les entiers - op

´erations bool´eennesUnit

´e de calcul flottant : (FPU - Floating Point Unit) calculs sur les flottants : sqrt, sin, ...unit

´e multim´edia :

calcul vectoriel (m

ˆeme instruction sur plusieurs donn´ee en

parall `ele)

Intel MMX et SSE, AMD 3DNow!

Plusieurs unit

´es au sein d"un processeur :

3 ALU au sein du Pentium

L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs261 / 313Unit

´e de contrˆole/commande (I)unit

´e qui coordonne le fonctionnement des autres´el´ements pour ex ´ecuter la s´equence d"instructions constituant le programme.pour ex ´ecuter une instruction, deux cycles se succ`edent I recherche de l"instruction`a ex´ecuter

Iex´ecution de l"instructionL3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs262 / 313Unit

´e de contrˆole/commande (II)L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs263 / 313Unit

´e de contrˆole/commande (III)

Constitu

´e :d"un ensemble de registres

I registre d"instruction RI : permet de stocker l"instruction qui doitˆetre ex

´ecut´ee

Icompteur programme PC : stocke l"adresse de la prochaine instruction `a ex´ecuter. Iregistre d"´etats (flag register) : permet de stocker des indicateurs sur l" ´etat du syst`eme apr`es l"ex´ecution d"une instruction. par exemple, F C (pour carry) : vaudra 1 si une retenue est pr´esente. FZ (pour Zero) : vaudra 1 si le r´esultat de la derni`ere op´eration r´ealis´ee est nul. FV (pour oVerflow) : vaudra 1 en cas de d´epassement de capacit´e FN (pour Negative) : vaudra 1 si le r´esultat est n´egatif. Mis `a jour par l"UAL F T (Trap flag) : mis`a 1 le processeur fonctionne en mode pas`a pas FIE (Interrupt Enable) : mis`a 1 les interruptions sont prise en compte F....L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs264 / 313 Unit

´e de contrˆole/commande (IV)

Constitu

´e :d"un ensemble de registres

I registre d"adresse : contient l"adresse de la donn´ee`a lire ou`a ecrire en m´emoire. Iregistres de donn´ees : contient temporairement la donn´ee lue ou`a ecrire en m´emoire. Iregistre d"index XR (utilis´e dans le mode d"adressage index´e) : l"adresse est obtenue en ajoutant son contenu `a l"adresse contenue dans l"instruction; peut

ˆetre incr´ementer/d´ecr´ementer

automatiquement apr `es son utilisation parcours efficace de tableaux I registre de base : contient l"adresse (le num´ero de segment)`a ajouter aux adresses (relatives) contenues dans les instructions. L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs265 / 313Unit

´e de contrˆole/commande (V)

Constitu

´e :un horlogequi permet la synchronisation des´el´ements et des ev`enementsun d ´ecodeurqui d´etermine les op´erations`a ex´ecuter en fonction du code de l"instruction.un s ´equenceurqui d´eclenche et coordonne les diff´erentes op

´erations pour r´ealiser l"instructionL3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs266 / 313Cycle d"ex

´ecution d"une instructionCycle de recherche :

I On r´ecup`ere dansRIl"instruction`a ex´ecuter (celle`a l"adresse contenue dansPC)

IOn incr´emente de compteur ordinalPC

Plus finement, utilisation des registres d"adresses et de donn

´eesCycle d"ex

´ecution :

I

On d´ecode l"instruction

ILire les adresses et les registres n´ecessaires`a l"instruction

ID´eterminer que faire pour cette instruction

ILe faire (ou le faire faire) (utilisation d"une unit´e de calcul)L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs267 / 313Cycle d"ex

´ecution d"une instruction : exemple

Cycle de recherche

PC8000080000add $1, $2, $3

80004::::

1 On r

´ecup`ere l"instruction`a ex´ecuter

I

On metPCdansRA(le registre d"adresse)

IOn envoie un ordre de lecture`a la m´emoire

IOn place le contenue deRD(le registre de donn´ee) dansRI

RIadd $1, $2, $3

2

On incr

´emente le compteur ordinalPC

I SoitPCest muni d"un dispositif d"incr´ementation

ISoit on utilise l"ALU

PC80004

L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs268 / 313

Cycle d"ex

´ecution d"une instruction : exemple (II)

Cycle de recherche

3 D

´ecodage de l"instruction (D´ecodeur)

I identification d"une addition entre deux registres avec placement du r

´esultat dans un registre

4 Pr

´eparation des donn´ees (S´equenceur)

I On place les contenus des registres $2 et $3 dans les deux registres d"entr

´ee de l"ALU

5 D ´eterminer ce qu"il faut faire (S´equenceur) I Envoi du signal de l"op´eration d"addition`a l"ALU 6

Le f aire( S´equenceur)

I L"ALU ajoute les deux op´erandes et place le r´esultat dans son registre de sortie Ile contenu du registre de sortie de l"ALU est transf´er´e dans le registre $1 L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs269 / 313Horloge d

´efinit le cycle de base : cycle machineutilis

´ee pour synchroniser chaque´etape des cycles de recherche et d"ex

´ecution

L"ex ´ecution du cycle de recherche ou d"ex´ecutionprend un certain nombrede cycle de base (d´ependant de l"instruction)

Cycle CPU = temps d"ex

´ecution minimal d"une instruction (recherche + ex ´ecution)L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs270 / 313S

´equenceur (I)

S ´equenceur = machine de Mealyrecevant des informations du d

´ecodeur et des signaux d"´etats

(entr

´ees)produisant des signaux de commandes contr

ˆolant les diff´erentes

unit

´es

R

´ealisation :s

´equenceur cˆabl´es

´equenceur micro-programm´eL3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs271 / 313S

´equenceur (II)S

´equenceur cˆabl´e :

I circuit s´equentiel (synchrone) r´ealis´e avec des portes logiques IUn sous-circuit pour chaque instruction, sous-circuit activ´e selon le code envoy

´e par le d´ecodeur.S

´equenceur micro-programm´e :

I Une ROM contient des micro-programmes compos´es de micro-instructions

ILe s´equenceur sait ex´ecuter les s´equences de micro-instructionsL3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs272 / 313

Chemin de donn

´ees (I)

Unchemin de donn´eesest d´efini parl"ensemble des composants requis pour l"ex

´ecution d"une

instruction : PC, UAL, banc de registres, m ´emoire, ...Liens entre ces composants : flux de donn

´ees, signaux de

lecture/ ´ecriture, multiplexage des unit´es partag´ees, .... Selon les instructions, les composants requis et les liens existants entre eux varient L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs273 / 313Chemin de donn

´ees (II)L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs274 / 313Processeur : fonctionnement - microprogrammation

L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs275 / 313Une architecture d"un processeur MIPS

L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs276 / 313

Composants du processeur MIPS (I)

M

´emoire d"instructionsCompteur

programmeAdditionneurL3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs277 / 313Composants du processeur MIPS (II)

M

´emoire

de donn

´eesExtension

sign

´eeL3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs278 / 313Composants du processeur MIPS (III)

Registres ALU

L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs279 / 313Format des instructions : rappel

Format6 bits5 bits5 bits5 bits5 bits6 bits

Format RCode oprsrtrdsafunct

Format ICode oprsrtadresse sur 16 bits

Format JCode opadresse sur 26 bits

L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs280 / 313 Ex

´ecution de :add $1,$2, $3Codeoprsrtrdsafunct

0231032

le signal

RegWr ite

contr ˆole l"´ecriture dans le banc de registresALUoperationd ´ecrit le type de calcul r´ealis´ele signalZero est

´emis si le calcul vaut 0L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs281 / 313Ex

´ecution de :lw $1, 100($2)Code oprsrtadresse sur 16 bits

3521100

Le signal

MemRead

est activit

´e."adresse 16 bits" est un d

´eplacement relatif sign´eles signauxMemWr iteet MemRead contr

ˆolent respectivement

l"

´ecriture et la lecture dans la m´emoireL3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs282 / 313Ex

´ecution de :beq $1,$2, 100Code oprsrtadresse sur 16 bits

421100

L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs283 / 313Contr

ˆole de l"ALU (I)L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs284 / 313

Contr

ˆole de l"ALU (II)Signaux de contr

ˆole (ALUoperation)Calcul r

´ealis´e000and

001or

010add

110sub

111slt

ALUoperation

est calcul ´e en fonctiondu champfunct, les 6 bits de poids faible de l"instruction ex

´ecut´eedu signalALUop sur 2 bits

Le signal

ALUop est ca lcul

´e en fonction duCodeop, les 6 bits de poids

fort de l"instruction ex

´ecut´eeL3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs285 / 313Contr

ˆole de l"ALU (III)CodeopALUopfunctALUoperation lw00010 sw00010 beq01110 add10100000010 sub10100010110 and10100100000 or10100101001 slt10101010111 L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs286 / 313L"unit

´e de contrˆoleL3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs287 / 313L"architecture MIPS multi-cycle

registre d"instruction RI, registre de donn

´ees RDune seule ALU avec des registres d"entr

´ees A,B et un registre de

sortie ALUout L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs288 / 313

L"architecture MIPS multi-cycle : cycle d"ex

´ecutionEtapeType RR

´ef´erence m´emoireBranchements

ExtractionRI Mem[PC] et PC PC+4D

´ecodageA Reg[RI[25-21]]; B Reg[RI[20-16]]; ALUout PC + RI[15-0]*4Ex ´ecutionALUout A op BALUout A+RI[15-0]Memdata Mem[ALUout]Mem[ALUout] Bsi (A==B) alors PC ALUoutEcritureReg[RI[15-11]] ALUoutReg(RI[15-0]) Memdata

L3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs289 / 313L"architecture MIPS multi-cycle : unit

´e de contrˆoleL3 Informatique - Universit´e de Provence ()Architecture des ordinateurs290 / 313L"architecture MIPS multi-cycle : signaux 1 bit

SignalEffet pour S=0Effet pour S=1

RegDestle registre de destination

pour l" ´ecriture est RI[20 :16]le registre de destination pour l"

´ecriture est RI[15 :11]RegWritela donn

´ee en´ecriture est

stock ´ee dans le registre`a´ecrireALUSrcAla 1ere op

´erande de l"ALU est PCla 1ere op

´erande de l"ALU est AMemReadune donn

´ee est lue en m´emoire

a l"adresse sp´ecifi´eeMemWriteune donn

´ee`a´ecrire est´ecrite en

m ´emoire`a l"adresse sp´ecifi´eeMemtoRegla donn

´ee`a´ecrire dans le registre

provient du registre donn

´ee m´emoirela donn

´ee`a´ecrire dans le registre

provient de ALUoutIorDl"adresse pour la m

´emoire est

fournie par PCl"adresse pour la m

´emoire provient

de ALUoutIRWriteLa sortie de la mquotesdbs_dbs16.pdfusesText_22

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