Les microprocesseurs

Les microprocesseurs
TABLEAU DES CARACTÉRISTIQUES ET ÉLÉMENTS MATÉRIELS
DES PRINCIPAUX MICROPROCESSEURS
Microprocesseur
UAL
(en bits)
Bus de
Bus
Mémoire
données adresse centrale
(en bits) (en bits) maximale
(en octets)
Unité de
gestion
mémoire
virtuelle
(MMU)
Mémoire
cache
(I)nterne
(E)xterne
Processeur
numérique
MICROPROCESSEURS DU MONDE PC
8088
16
8
20
1 Mo
-
non
8087
80286
16
16
24
16 Mo
interne
non
80287
80386DX
32
32
32
4 Go
interne
(E)
80387DX
80386SX
32
16
24
16 Mo
interne
non
80387SX
80486DX
32
32
32
4 Go
interne
(I) 8 Ko
(E)
interne
80486SX
32
32
32
4 Go
interne
(I) 8 Ko
(E)
80487SX
Pentium
2*32
64
32
4 Go
interne
(I) 2*8 Ko
(E)
Interne
MICROPROCESSEURS DU MONDE MACINTOSH
68000
16
16
24
16 Mo
68451
non
68881
68020
32
32
32
4 Go
68851
256
octets
68882
68030
32
32
32
4 Go
interne
2 X 256
octets
68882
68040
32
32
32
4 Go
interne
8 Ko
Interne
Power PC 601
32
64
32
4 Go
interne
32 Ko
Interne
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MICROPROCESSEURS
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1. LES MICROPROCESSEURS DU MONDE PC
Le 8086/8088 du PC
En 1981, la compagnie IBM présentait son premier micro-ordinateur, le PC, lequel était
conçu autour d’un microprocesseur de la compagnie Intel, le 8088. Cette machine a
imposé plusieurs standards. Tout d’abord, les concepteurs trouvaient rentable de
concevoir des programmes pour les machines utilisant le processeur Intel-80x86,
comme le PC. Le système d’exploitation MS-DOS a vite supplanté le système
d’exploitation CP/M des machines à 8 bits.
À cette époque, le marché de la micro-informatique était dominé par des machines à
8 bits, lesquelles ne pouvaient avoir une mémoire dépassant 64 Ko. Le PC était donc à
l’avant-garde pour l’époque.
L’unité arithmétique et logique (UAL) du 8088 était à 16 bits, mais le bus de données
était à 8 bits. En choisissant le 8088 plutôt que le 8086, lequel se distinguait seulement
par son bus de données à 16 bits, IBM voulait tirer profit de certaines caractéristiques
du 8088. Son bus de données permettait d’utiliser des circuits auxiliaires fonctionnant
avec un bus de données à 8 bits, qui étaient alors beaucoup moins dispendieux que
ceux à 16 bits.
L’architecture interne à 16 bits du 8088 donnait au PC d’IBM un avantage par rapport
aux micro-ordinateurs à 8 bits. Et, comme le 8088 pouvait également exécuter les
programmes pour les micro-ordinateurs à 8 bits (conçus autour de microprocesseurs
8080 ou Z80), ce PC d’IBM laissait entrevoir pour les PC une migration facile des
programmes déjà existants, ce qui les rendait plus alléchants.
Le bus d’adresses du 8088 du PC avait 20 bits, ce qui lui permettait d’avoir une mémoire
d’un mégaoctet, ou de 640 Ko pour l’usager avec un système d’exploitation MS-DOS;
ceci paraissait fabuleux à une époque où la mémoire des machines à 8 bits ne
dépassait jamais 64 Ko. De plus, la vitesse d’horloge initiale du 8088 était de 4,77 MHz,
ce qui était beaucoup mieux que le 8080 ou le Z80, qui fonctionnaient à 1 ou à 2 MHz.
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Le 80286 du PC-AT
En 1984, IBM a commencé à commercialiser une nouvelle génération de PC, le
modèle AT. Il s’agissait d’une machine plus sophistiquée que le PC, et ce pour plusieurs
raisons. Le PC-AT était conçu autour du microprocesseur Intel-80286 qui, tout en offrant
une compatibilité avec les programmes du PC, permettait d’utiliser un système
d’exploitation plus puissant que le MS-DOS, le système UNIX par exemple. L’affichage
avait été amélioré avec le standard EGA et le lecteur de disque (5"1/4) de 1,2 Mo faisait
son apparition au détriment du lecteur 360 Ko.
Même si le 80286 était pourvu d’une UAL à 16 bits, comme le 8088 du PC, le bus de
données avait été élargi à 16 bits et le bus d’adresses à 24 bits, ce qui lui permettait
d’utiliser une mémoire beaucoup plus vaste. De plus, le 80286 comprenait une unité de
gestion de la mémoire, familièrement appelée MMU (Memory Management Unit); ce
dispositif assurait la gestion de la mémoire virtuelle, ainsi que l’exploitation en multitâche
et multiusager. Ces nouvelles fonctionnalités n’étaient toutefois pas supportées en MS© Télé-université, 2003
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MICROPROCESSEURS
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DOS parce que ce système d’exploitation est monotâche et mono-usager. Il fallait donc
utiliser un autre système d’exploitation multitâche et multiusager, UNIX par exemple.
En fait, le 80286 offrait deux modes de fonctionnement : le mode d’adressage réel et le
mode d’adressage protégé. Dans le mode d’adressage réel, il se comportait comme une
machine virtuelle 8086, avec les mêmes contraintes et limites, c’est-à-dire qu’il était
monotâche et mono-usager et que la mémoire restait limitée à un mégaoctet, sans
mémoire virtuelle. Ce mode, utilisable uniquement en MS-DOS, permettait d’assurer la
compatibilité de la vaste bibliothèque de programmes du PC. La mémoire située au-delà
du premier mégaoctet n’était pas directement utilisable.
Quant au mode d’adressage protégé, il constituait le mode naturel qui permettait de tirer
profit des nouvelles possibilités du processeur 80286. Seuls les logiciels spécialement
conçus pour le mode protégé pouvaient exploiter ce mode où coexistaient deux sortes
de mémoire : la mémoire physique, qui atteignait dans les meilleurs cas un maximum de
16 mégaoctets et correspondait au matériel effectivement installé dans la machine, et la
mémoire virtuelle, qui est en fait l’espace réservé sur le disque rigide pour permettre
d’échanger le contenu de la zone de mémoire principale avec le contenu de la zone de
mémoire auxiliaire (swapping) Cette mémoire virtuelle donne l’illusion à l’usager de
disposer de beaucoup plus de mémoire vive (RAM) qu’en réalité. En pratique, cela
permet d’ouvrir plus d’applications simultanément ou d’utiliser un programme trop
gourmand en ressources de mémoire. Les machines de modèle AT d’IBM avaient une
fréquence d’horloge de 6 ou de 8 MHz.
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Le 80386DX
En 1986, la compagnie Compaq était la première à produire une machine conçue autour
du nouveau microprocesseur à 32 bits d’Intel, le 80386DX. En 1987, la compagnie IBM
produisait à son tour une machine 386, le PS/2 modèle 80.
Le 80386DX possède une architecture totalement à 32 bits. L’UAL et les bus de
données et d’adresses sont également à 32 bits. Il peut donc adresser une mémoire
pouvant atteindre 4 gigaoctets.
En pratique, le 80386DX est plusieurs fois plus performant qu’un 80286. Initialement
conçu avec une vitesse d’horloge de 16 MHz, il fonctionne maintenant à une vitesse de
40 MHz. De plus, les performances d’un 80386DX peuvent être améliorées en lui
ajoutant une mémoire cache externe pouvant atteindre 256 Ko. Pour ce faire, le AT-386
doit posséder un contrôleur de mémoire cache externe, le 82385.
À partir de mars 1991, la compagnie AMD a été la première à commercialiser un
microprocesseur compatible avec le 80386DX, soit le Am386DLX à 40 MHz. Depuis ce
temps, d’autres fabricants ont suivi les traces d’AMD, soit IBM, Cyrix/Texas Instruments
et Chips&Technologies. Ces fabricants ne se sont pas contentés d’abaisser les prix tout
en augmentant la vitesse d’horloge, ils ont également, dans certains cas, ajouté une
mémoire cache interne qui accroît la rapidité d’exécution de l’ordinateur et abaisse la
consommation électrique.
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MICROPROCESSEURS
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Le 80386SX
Conçu par Intel, le 80386SX combine des attributs des microprocesseurs 80286
et 80386DX. En effet, il est conçu avec une UAL interne à 32 bits, comme le 80386DX,
mais ses bus sont comme ceux du 80286 : le bus de données est à 16 bits et le bus
d’adresses à 24 bits. Le 80386SX est donc compatible sur le plan logiciel avec le
80386DX, puisqu’il peut exécuter, mais moins rapidement, la plupart des programmes
conçus pour ce dernier; il lui est cependant incompatible matériellement. Le 80386SX a
permis à plusieurs fabricants de construire des machines à 32 bits à partir d’une carte
mère à 16 bits moins dispendieuse, conçue pour le 80286. Initialement, sa vitesse
d’horloge était de 16 MHz.
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Le 80386SL
Conçu par Intel, le processeur 80386SL, compatible avec le 80386SX, est une version à
faible consommation d’énergie. Pour ce faire, il intègre un module de gestion du
matériel (SMM). Le 80386SL est principalement destiné aux ordinateurs portatifs, pour
lesquels une grande durée de vie de la pile et de grandes performances étaient
jusqu’alors des concepts incompatibles. Il consomme 3,3 volts, mais il peut également
fonctionner à 5 volts.
Le processeur 80386SL est construit de manière que sa fréquence d’horloge puisse être
abaissée jusqu’à zéro et, dans ce cas, il consomme très peu d’énergie. De plus, il peut
être relié à des périphériques qui reconnaissent la fonction d’économie d’énergie du
processeur. Il a initialement été produit avec des vitesses d’horloges de 16, 20 et
25 MHz.
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Le 80486DX
Conçu par Intel, le 80486DX constitue une amélioration du 80386DX puisqu’il comprend
à l’interne, en plus d’une UAL compatible avec les 386, l’équivalent de plusieurs circuits
auxiliaires externes au 80386DX, comme un coprocesseur mathématique pour le
traitement avec les réels, un contrôleur de mémoire cache et une mémoire cache de
8 Ko, à laquelle on peut également ajouter une mémoire cache externe de deuxième
niveau, de 256 Ko. Les bus et les modes de fonctionnement sont les mêmes que sur
un 80386DX. Le microprocesseur 80486DX a été produit initialement avec une vitesse
d’horloge de 25 MHz.
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Le 80486DX2
Conçu par Intel, le 80486DX2 est un 80486DX qui fonctionne à double vitesse à
l’interne, par rapport à un 80486DX ordinaire, ce qui améliore les performances
d’environ quarante pour cent. Cette fonctionnalité est gérée par un multiplicateur de
fréquence logé directement sur le microprocesseur.
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Ce microprocesseur a été produit au début avec des vitesses d’horloge de 25/50 et de
33/66 MHz. Sur certaines cartes mères, le 80486DX2 peut être installé sur un support
conçu pour éventuellement recevoir un Pentium Overdrive à bus de données à 32 bits.
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Le 80486DX4
Le microprocesseur 80486DX4 est apparu en 1994; il s’agit d’un 80486DX qui, selon la
vitesse configurée du quartz de la carte mère, peut travailler à double, voire à triple
vitesse à l’interne, par rapport à un 80486DX ordinaire. Un 80486DX4-75 MHz peut être
installé sur une carte mère configurée à 25 MHz et un 80486DX4-100 MHz peut être
installé sur une carte mère à 33 ou 50 MHz.
La mémoire cache interne, d’une meilleure technologie que celle du 80486DX, est
passée à 16 Ko. Intel prétend que le 80486DX4 est 62 % plus rapide qu’un 80486DX266 MHz. Il fonctionne à 3,3 volts.
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Le 80486DX Overdrive
Conçu par Intel, le processeur 80486DX Overdrive est compatible avec le 80486DX et
s’enfiche dans un support à 169 broches présent sur certaines cartes plus évolutives de
processeurs 80486DX.
D’un point de vue électronique, le 80486DX Overdrive est identique à un 80486DX2.
Contrairement à ce dernier, il n’est pas destiné aux fabricants d’ordinateurs mais plutôt
aux propriétaires d’une machine 486DX, pour qu’ils puissent bénéficier, au moins en
partie, des avantages de la génération des machines 486DX2, lesquelles fonctionnent à
double vitesse à l’interne.
Avant la venue du processeur de type Overdrive, l’évolution des PC se faisait soit en
remplaçant la carte mère, soit en insérant une nouvelle carte mère dans une fente
d’extension située sur la carte mère du PC.
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Le 80486SX
Le 80486SX est un 80486DX pour lequel Intel a délibérément désactivé le coprocesseur
mathématique interne. En pratique, il constitue une amélioration par rapport à un
80386DX, parce qu’il possède à l’interne un contrôleur et une mémoire cache de 8 Ko.
Intel offre cependant, pour le compléter, un coprocesseur mathématique externe, le
80487SX. Comme pour la famille 80486DX, il existe dans la famille des SX, des
80486SX2, 80486SX Overdrive et un 80486SL à faible consommation électrique.
La compagnie IBM a commercialisé un 80486SLC et un 80486SLC2, compatibles avec
ceux d’Intel, mais qui en plus sont pourvus d’un contrôleur et d’une mémoire cache de
16 Ko, plutôt que de 8 Ko.
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Le CX486DLC
Le CX486DLC a été conçu par Cyrix/Texas Instruments; ce microprocesseur compatible
avec le circuit 80486SX s’enfiche sur un support de 80386DX. C’est ni plus ni moins
qu’un 80486SX placé dans un circuit 80386DX; il est donc compatible sur le plan logiciel
avec les 486, mais incompatible matériellement avec les circuits auxiliaires. Il est plutôt
compatible matériellement avec les circuits auxiliaires du 80386DX.
Le 80486DLC a permis à plusieurs fabricants de construire des machines 486 à partir
d’une carte mère 386DX. Il a été initialement produit avec une vitesse d’horloge de
40 MHz. Il ne comprend pas de coprocesseur mathématique interne, mais contient une
mémoire cache interne de 1 Ko. Par contre, Cyrix fournit toujours un coprocesseur
mathématique séparé qui peut effectuer les calculs sur les réels.
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Le Pentium/586
Conçu par Intel, le microprocesseur Pentium/586 succède aux microprocesseurs 80486.
Il est sorti en mars 1993 avec deux fréquences d’horloge : 60 et 66 MHz. Actuellement,
on retrouve des versions beaucoup plus rapides. Sur le plan logiciel, le Pentium est
entièrement compatible avec tous les processeurs de la famille 80x86.
Le Pentium est un processeur à deux UAL. De plus, il comprend deux mémoires caches
de 8 Ko, une pour les instructions et une autre pour les données. Son bus de données
est à 64 bits, tandis que son bus d’adresses est à 32 bits.
Des dispositifs matériels ont été inclus dans le Pentium pour améliorer la performance
de trois des instructions les plus utilisées avec les nombres réels (la multiplication, la
division et l’addition). Ainsi, plusieurs instructions s’exécutent dans un seul cycle
machine, ce qui multiplie par cinq la vitesse, comparativement à un 486DX2-66 MHz. À
chaque cycle d’horloge, le Pentium peut commencer l’exécution de deux opérations
indépendantes sur les entiers; chaque UAL est pourvue de ses propres circuits.
Notons que pour vraiment tirer profit de la propriété multiscalaire du Pentium, des
compilateurs spéciaux sont nécessaires : les ressources MMX (Multimedia Extensions).
Ainsi, les instructions multimédias permettent d'augmenter la rapidité de traitement des
calculs qui pouvaient être complexes dans les jeux 3D.
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2. LES MICROPROCESSEURS DU MONDE MACINTOSH D’APPLE
Le 68000
Introduit par Motorola en juillet 1979, le 68000 est un microprocesseur à 16 bits avec
des capacités de traitement à 32 bits. Il a été initialement produit avec plusieurs
fréquences d’horloge : 4, 6, 8, 10 et 12,5 MHz. Le bus d’adresses est à 23 bits, mais ce
microprocesseur peut adresser 8 mégamots de 16 bits, ce qui donne une capacité
d’adressage de 16 mégaoctets. Le bus de données est à 16 bits.
Le 68000 peut fonctionner en deux modes : utilisateur et superviseur. Certaines
instructions ne peuvent être exécutées que par le système d’exploitation; elles ne sont
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MICROPROCESSEURS
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donc pas accessibles à un utilisateur. En associant à ce microprocesseur une unité de
gestion de la mémoire (MMU-68451), cela lui donne des capacités multitâches et
multiusagers.
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Le 68020
Conçu par Motorola et introduit en juin 1984, le 68020 fait partie de la première
génération des microprocesseurs à 32 bits. Tout comme le 68000/68010, le 68020 offre
deux modes de fonctionnement : superviseur et utilisateur. Si on lui ajoute une unité de
gestion de la mémoire externe (MMU-68851), il peut fonctionner en mode multitâche et
en mode multiusager.
Il a été initialement produit avec plusieurs fréquences d’horloge : 16, 67, 20, 25 et même
33 MHz. Avec un bus d’adresses à 32 bits, ce microprocesseur a une capacité
d’adressage de 4 gigaoctets et est, lui aussi, configuré à 32 bits.
Le 68020 a été le premier microprocesseur possédant une mémoire cache interne
(256 octets) affectée aux instructions.
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Le 68030
Le 68030 fait partie de la seconde génération des microprocesseurs à 32 bits chez
Motorola. Il a été introduit en avril 1987, en version 20 MHz. Actuellement, on retrouve
des 68030 à 25, 33,3, 40 et même à 50 MHz.
Le microprocesseur 68030 est une évolution du 68020; il en conserve les
caractéristiques essentielles et offre plusieurs améliorations. Les innovations techniques
du 68030 lui permettent de doubler les performances du 68020, parce qu’il ne fait pas
appel à des composants supplémentaires tels qu’un coprocesseur graphique, une unité
de gestion de la mémoire (MMU) et une mémoire cache.
Le 68030 est le premier microprocesseur intégrant sur le circuit une mémoire cache
dédiée aux instructions, ainsi qu’une mémoire cache de 256 octets dédiée aux données;
on peut simultanément accéder aux deux.
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Le 68040
Introduit par Motorola en janvier 1990, le 68040 appartient à la troisième génération des
microprocesseurs à 32 bits produits par ce fabricant. Il est pourvu à l’interne d’une unité
pour le traitement des entiers (UAL), d’une unité pour les réels (coprocesseur
mathématique), de deux unités de gestion de la mémoire (PMMU) et de deux mémoires
caches de 4 Ko, une pour les instructions, l’autre pour les données.
La puissance de traitement d’un 68040 est de trois à dix fois plus grande que celle
d’un 68030. Il a été initialement produit avec plusieurs fréquences d’horloge : 25, 33, 40,
50, 66 et même 80 MHz.
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Le 68LC040
Conçu par Motorola, le 68LC040 est en fait un 68040 pour lequel on a désactivé le
coprocesseur mathématique. On en retrouve des versions à 20, 25, 33 et 40 MHz.
Le PowerPC 601
Power-Pc, quel nom curieux pour un microprocesseur! Probablement pour laisser croire
qu’il y aura désormais plus de compatibilité entre IBM et Apple. Dans les faits, il s’agit
d’une famille de microprocesseurs conçue par le triumvirat IBM, Apple et Motorola, pour
concurrencer le Pentium. Avec comme base matérielle un PowerPC et comme base
logicielle actuelle le MacOS, OS/2-Warp et AIX, il devient évident que c’est bien armée
que l’alliance IBM/Apple/Motorola fera la lutte au tandem Intel-x86/Microsoft-Windows
(standard WINTEL), dans les prochaines années.
Annoncé en 1991 et apparu en 1993, le PowerPC 601 est le premier exemplaire de la
famille PowerPC. Il a été conceptualisé à partir de l’architecture POWER (Performance
Optimisation With Enhanced Risc) présente dans les stations et serveurs IBM-RS/6000
et sur les bus du microprocesseur RISC 88110 de Motorola.
Produit au début avec des vitesses d’horloge de 50 et 66 MHz, on en retrouve
maintenant à plus de 100 MHz. Sa relative petitesse par rapport au Pentium permet un
coût de production deux fois inférieur.
Il s’agit d’un processeur à 32 bits pourvu d’un bus de données à 64 bits. L’adressage
virtuel se fait sur 52 bits par une unité de gestion de la mémoire, un MMU interne. Il peut
traiter trois instructions simultanément.
Il comprend à l’interne un contrôleur et une mémoire cache de 32 Ko. Il consomme
moins qu’un Pentium à la même vitesse, ce qui lui évite les problèmes de dissipation de
chaleur. Il fonctionne à 3,6 volts.
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