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1©Pierre Marchand, 2001280

Objectifs :

À la fin de cette unité, vous connaîtrez le fonctionnement de l'unité centrale de traitement d'un ordinateur. Pour y arriver, vous devrez atteindre les objectifs suivants : -décrire les différentes composantes d'une unité centrale de traitement et leur rôle : unité de commande, séquenceur, unité arithmétique et logique, compteur ordinal, registre d'instruction, horloge;

-décrire la structure d'une instruction de niveau machine;Unité 9: Unité centrale de traitement©Pierre Marchand, 20012818.1 Architecture

L'unité centrale de traitement (UCT) ou processeur central (CPU) est l'élément moteur de l'ordinateur qui interprète et exécute les instructions du programme situées en mémoire centrale. L'ensemble CPU + mémoire centrale constitue l'Unité Centrale. L'UCT est composé de l'Unité arithmétique et logique (UAL) et de l'Unité de commande ou de contrôle. L'UAL effectue les opérations arithmétiques et logiques. L'Unité de commande dirige le fonctionnement de toutes les autres unités : UAL, mémoire, entrées / sorties, etc., en leur fournissant les signaux de cadence et de commande.Unité 9: Unité centrale de traitement

2©Pierre Marchand, 2001282

8.1 Architecture

Les différentes unités sont interconnectées par des systèmes de câblage transportant des signaux électriques. Pour éviter de relier chaque unité à chacune des autres, on fait usage de lignes exploitées en commun. On appelle bus ces ensembles de lignes.

On peut distinguer trois bus différents :

• Bus d'adresses, par exemple, A0 à A31 • Bus de données, par exemple, D0 à D31 • Bus de contrôle, par exemple, R/W, Un bus peut être utilisé par toutes les unités qui y sont connectées, mais jamais par plus de deux unités en même temps. Ceci pose des problèmes d'attente et d'arbitrage (contention) lors des requêtes

d'utilisation.Unité 9: Unité centrale de traitement©Pierre Marchand, 20012838.1 Architecture

Unité 9: Unité centrale de traitement

Bus de cacheBus localBus mémoireCPU

Cache niveau 2Pont

PCIMémoire

centrale

Bus PCIDisque

IDEAdaptateur

graphique Moni- teurSCSIUSBSouris Cla- vierModem Carte de sonImpri- manteBus ISAPont ISA

3©Pierre Marchand, 20012848.2 Unité de commande

Cette unité comporte

• Le compteur ordinal CO • Le registre d'instruction RI • Le décodeur de code opération • Le séquenceur • L'horloge

RA = registre d 'adresses

RM = registre motUnité 9: Unité centrale de traitementMémoireBus de donnéesBus d'adressesRMRA CO

HorlogeSéquenceurRI

DécodeurR/W

©Pierre Marchand, 20012858.2 Unité de commande Les impulsions générés par l'horloge à intervalles réguliers détermi- nent le temps de cycle de la machine. L'exécution d'une instruction prend généralement plus d'un cycle, car une instruction comporte généralement : •le temps de chargement de l'instruction (fetch), •le temps de décodage de l'instruction, •le temps de chargement des opérandes et de calcul de leur adresse effective, •le temps d'exécution proprement dit. •le temps d'écriture du résultat (writeback). En utilisant un pipeline, il est quand même possible d'émettre une instruction par cycle si toutes ces opérations peuvent être effectuées en parallèle.Unité 9: Unité centrale de traitement

4©Pierre Marchand, 2001286

8.2 Unité de commande

Étapes d'un cycle de recherche d'instruction (fetch) : • Transfert de l'adresse de la nouvelle instruction de CO à RA. La génération d'une impulsion de lecture par l'unité de commande provoque le transfert de l'instruction cherchée vers RM qui fonctionne comme registre tampon pour tous les échanges avec la mémoire. • Transfert de l'instruction dans RI. Instruction = code opération + adresse opérande L'adressage de l'opérande peut demander le calcul de l'adresse effective, ce qui consomme des cycles machine. Pendant que l'adresse de l'opérande est envoyée à RA, le code opération est transmis au décodeur qui détermine le type d'opération demandée et le transmet au séquenceur.

• Le CO est incrémenté en vue du cycle de recherche suivant.Unité 9: Unité centrale de traitement©Pierre Marchand, 20012878.3 Synchronisation des opérations

Les signaux périodiques générés par l'horloge définissent le cycle de base ou cycle machine (clock cycle). Le cycle mémoire est habituellement beaucoup plus long que le cycle machine, surtout s'il doit accéder à la mémoire centrale (échec du cache interne L1 + échec du cache externe L2) Par exemple, dans un processeur dit à 500 MHz, le cycle machine est de 2 ns. La fréquence du bus PCI pouvant atteindre 133 MHz, le cycle de bus a une durée de 7,5 ns. Ceci est donc le temps minimum pour un accès en mémoire centrale. Toutefois, il faut habituellement plusieurs mots mémoire pour remplir une rangée de cache, de sorte qu'un accès en mémoire centrale représente plusieurs cycles de bus.Unité 9: Unité centrale de traitement

5©Pierre Marchand, 2001288

8.4 Séquenceur

Le séquenceur est un automate qui a la responsabilité de générer les signaux de commande nécessaires pour actionner et contrôler les unités participant à l'exécution d'une instruction donnée. Cette fonction peut être réalisée de deux façons : séquenceur câblé ou séquenceur microprogrammé. Un séquenceur câblé est un circuit séquentiel complexe qui fait corres- pondre à chaque instruction un sous-circuit capable de commander son déroulement. On peut obtenir le même résultat avec une suite de micro-instructions stockées dans une mémoire de microprogrammation. Ce micro- programme est capable de générer une suite de signaux de commande

équivalent à celle qui serait produite par un séquenceur câblé.Unité 9: Unité centrale de traitement©Pierre Marchand, 20012898.4 SéquenceurUnité 9: Unité centrale de traitement

RIcode opadresse

décodeur séquenceur câblé

UALmémoire de

microprogrammationcommandescommandes

6©Pierre Marchand, 20012908.4 Séquenceur

Le microprogramme (firmware) peut être stocké dans une ROM ou une

EPROM.

Cette solution est plus fexible que la logique câblée. Le prix à payer est une vitesse inférieure.Unité 9: Unité centrale de traitement

RIcode opadressemapping

ROMcompteur ordinal de

microprogrammationmémoire de microprogrammationmicro-instruction0100000111signaux de commande

©Pierre Marchand, 20012918.4 Séquenceur

MAR = RA

MDR = RM

PC = CO

MPC = CO du micro-

programme.

MIR = registre de

micro-instruction (36 bits).

MBR = RIMAR

MDR PC SP ALU

Décaleur

Décodeur

4 vers 16

3 MPC

Mémoire de

512 x 36 bits

pour le microprogramme MBR bus B N

Activer

sortie vers bus B

Écrire

bus C dans registre bus C 8 32
Z 6 Signaux de contrôle de la mémoire (rd, wr, fetch) 9 8 JMPC AddrJ MIR

ALUCMB

4 contrôle ALU bascules de 1 bit 2 2 JN/JZ M m o ire c e n tra le MSB

7©Pierre Marchand, 20012928.5 Niveaux de programmation

Unité 9: Unité centrale de traitement

niveau des commandes

électroniquesmicro-instructions

instructions machineniveau assembleurlangages évolués©Pierre Marchand, 20012938.5 Niveaux de programmation

Le programmeur a le choix entre plusieurs langages de program- mation: Fortran, Pascal, C, Ada, C++, Java, Assembleur. L'ordinateur par contre ne comprend que son propre langage, le langage machine, avec son jeu d'instructions de niveau machine. Il faut donc traduire le code source écrit dans l'un des langages mentionnés en code objet ou code machine. Cette traduction s'effectue à l'aide de programmes traducteurs tel que les assembleurs et les compilateurs. L'assembleur est un langage dans lequel chaque instruction corres- pond à une instruction machine.Unité 9: Unité centrale de traitement

8©Pierre Marchand, 2001294

8.5 Niveaux de programmation

Un compilateur convertit la totalité du programme source en langage machine et place le code objet dans un fichier objet. L'ordinateur peut ensuite exécuter ce code objet. Le code objet ne peut être exécuté que par un ordinateur ayant le même langage machine. Un interprète convertit le programme source en code objet instruction par instruction, et l'exécute au fur et à mesure. Le traducteur doit donc se trouver dans la machine au moment de l'exécution, ce qui n'est pas

nécessaire dans le cas de code compilé.Unité 9: Unité centrale de traitement©Pierre Marchand, 20012958.5 Niveaux de programmation

Pour rendre le code portable, on a adopté une solution intermédiaire dans le cas du langage Java. Le code source est converti en byte- codes, langage compilé indépendant de la plate-forme. Ces bytecodes sont ensuite interprétés par la machine cible au moyen d'un interpètequotesdbs_dbs42.pdfusesText_42

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