CPU - L`informatique, c`est mon domaine

Les processeurs
21.03.2005
Chapitre 7, Page 1
Table des matières Chapitre 7
CPU (CENTRAL PROCESS UNIT)........................................................................................................... 2
INTRODUCTION........................................................................................................................................... 2
LES FABRICANTS ET LES NOUVEAUTÉS. .................................................................................................... 2
INTEL .................................................................................................................................................... 2
•
•
XEON......................................................................................................................................................... 2
Itanium ....................................................................................................................................................... 2
Nouvelle dénominations...................................................................................................................... 3
AMD ....................................................................................................................................................... 3
•
HAMMER .................................................................................................................................................. 3
Crusoe .................................................................................................................................................... 3
Alpha...................................................................................................................................................... 3
Sun: ........................................................................................................................................................ 4
Tableaux récapitulatifs P4 et AMD ................................................................................................... 4
Composition des microprocesseurs. ................................................................................................... 7
Composants internes au microprocesseur. ....................................................................................... 7
Le boîtier. .............................................................................................................................................. 9
Le support. .......................................................................................................................................... 10
La famille. ........................................................................................................................................... 12
Le voltage. ........................................................................................................................................... 12
La fréquence........................................................................................................................................ 12
Bi processeurs..................................................................................................................................... 12
LA CACHE L1 ............................................................................................................................................ 13
LA CACHE L2 ............................................................................................................................................ 13
LA CACHE L3 ............................................................................................................................................ 13
Le coprocesseur (ou FPU).................................................................................................................. 13
Le Bus processeur ou bus système.(Fréquence externe FSB)...................................................... 14
Le Bus d’adresse................................................................................................................................. 14
Le Bus de données (E/S).................................................................................................................... 14
Cisc ou Risc. ........................................................................................................................................ 14
Les pipelines. ...................................................................................................................................... 15
Hyper Threading ................................................................................................................................ 15
64 bits................................................................................................................................................... 17
L’EXÉCUTION DYNAMIQUE....................................................................................................................... 17
Le refroidissement. ............................................................................................................................ 18
LA TECHNOLOGIE MMX. ......................................................................................................................... 19
GLOSSAIRE................................................................................................................................................ 20
SYNTHÈSE DU COURS HARDWARE, CHAP. N° 6 - 7 :.................................................................... 21
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Les processeurs
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Chapitre 7, Page 2
CPU (Central Process Unit).
Introduction.
Le processeur est un composant
électronique qui n'est autre que le
"coeur pensant" de tout ordinateur.
Il est composé de plusieurs
éléments dont, entre autres, les
registres (mémoire interne). Dans
le monde des PC, les principaux
fabricants sont : INTEL, IBM,
CYRIX,
AMD,
NEXGEN
(désormais racheté par AMD),
CENTAUR
et
TEXAS
INSTRUMENT. Sur les autres
systèmes, il y a aussi: MOTOROLA
(principalement Macintosh), ARM, ATT, DEC, HP, MIPS et SUN&TI. Dans le domaine des
compatibles, Intel a été et reste le pionnier. Cette société américaine a fixé un standard
(80x86) sur laquelle repose la totalité des logiciels PC. Ses composants sont mondialement
réputés et restent un gage de qualité. Cette société est à la base de presque toutes les
nouvelles évolutions, mais l'investissement consenti dans le domaine de la recherche se
ressent sur le prix de vente de leurs processeurs. Longtemps copié par ses concurrents
(AMD, Cyrix), il risque d'être prochainement rattrapé, voire devancé.
Les fabricants et les nouveautés.
INTEL
XEON
Le successeur du Pentium Pro, est le XEON, sorti en mars 1999 et disponible en 2 versions.
1. Avec cache L2 de 512 Ko pour les stations de travail
2. Avec cache L2 de 1Mo pour les serveurs
La cache L2 est cadencée à la même vitesse que le CPU. Il utilise un connecteur nommé
slot2 pour les 1 ère versions et à été remplacé par un socket 603. Une version multimédia est
sortie sous le nom de XEON II. Ce CPU utilise la technologie de l’hyper threading (voir plus
bas)
Itanium
Le 1er CPU 64 bits est sorti en 2001, mais très peu connu du grand public. L’itanium utilise
comme le XEON 3 niveau de cache et ils peuvent être configuré sur un banc allant jusqu’à
512 CPUs
Fin 2002 est sorti l’Itanium II, avec des caractéristiques peu différentes de l’itanium I
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Chapitre 7, Page 3
Nouvelle dénominations.
Depuis Mai 2004, Intel à modifier la façon de nommer ces CPU. Avant, le nom du
processeur nous informait sur la fréquence de celui-ci. Depuis mai, ils ont décidés de faire
comme dans le domaine automobile, de mettre un numéro de série. La société Intel vient de
sortir des CPU de série 3, 5, et 7. A chaque série correspond un type bien précis de CPU. Et
pour couronner le tout, il faut distinguer entre les CPU pour les ordinateurs de bureau et
les portables. (Voire tableau récapitulatif).
AMD
HAMMER
Le cpu 64 bits de chez AMD s’appel le HAMMER, il est compatible 32 et 64 bits.
Crusoe
Sortis en 1999-2000, mais en développement depuis 1996, cd CPU de la société Transmetta
est un cas à part dans le monde du PC. En effet, ce CPU fonctionne sur une technologie
RISC incluant un interpréteur interne permettant de faire tourner des applications X86, y
compris les OS Microsoft. L’avantage de ce CPU c’est qu’il intègre une faible quantité de
transistors, dégageant de ce fait très peu de chaleur, il peut tourner à de grandes
fréquences. Inconvénient, le fait de gérer des applications X86, le fait ralentir. Ce CPU a été
développé en secret avec l’aide de Linus Torvalds.
Alpha
HP avait acquis la branche des processeurs Alpha après la fusion avec Compaq, avant de
stopper tout développement après le lancement de l’EV7z à 1.3GHz an août 2004.
Rappelons tout de même que la famille des processeurs Alpha a vécu une histoire à succès,
même si tout a fini par s'arrêter. Ces processeurs ont très souvent été applaudis pour leurs
très grandes performances. Conçus comme des processeurs 64 bits dès le début, ils avaient
démarré leur carrière à la vitesse record de 200MHz, et avaient de grandes affinités avec le
constructeur de supercalculateurs Cray, tout en étant conçu pour faire tourner plusieurs
systèmes d'exploitation, surtout Unix et Windows NT. En 1999, les ventes de processeurs
Alpha avaient grandement chuté, et n'intéressait plus qu'un petit noyau d'acheteurs.
Microsoft a donc arrêté de développer la branche Windows NT pour ce processeur.
Les processeurs Alpha ont certes disparu mais l'influence du processeur et des ingénieurs
se ressent dans les produits d'aujourd'hui. Une partie de l'équipe originelle est désormais
chez Intel, et souvenez-vous :
L'HyperThreading est en grande partie dû aux architectes de chez Alpha, le bus EV6 a
quasiment été reproduit à l'identique pour l'avènement de l'Athlon et le retour d'AMD, de
même que le contrôleur mémoire intégré dans les Athlon 64 ou encore l'HyperTransport ont
été grandement repris d'idées déjà existantes. D'ailleurs, l'actuel directeur de la branche
processeurs chez AMD, Dirk Meyer, étant un des architectes de l'équipe Alpha.
HP s'est désormais pratiquement retiré d'un marché fortement concurrentiel, et la cession
de l'équipe maison qui travaillait sur l'Itanium à Intel devrait calmer les esprits et apaiser
les craintes d'avantages précieux réservés à la firme géante de la plus puissante femme du
monde, qui pèse 80 milliards de dollars, j'ai nommé Carly Fiorina.
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Sun:
UltraSparc IV+ dual core
Sun vient d'annoncer la sortie de son nouveau processeur 64bits, l'UltraSPARC IV+. Ce
processeur destiné aux stations de travail et aux serveurs Sun est le concurrent des Power5
d'IBM et des Itanium d'Intel. Il est bien sûr dual-core, embarque 2Mo de mémoire cache L2
et 32Mo de mémoire cache L3. Gravé en 90nm dans l'usine de Texas Instruments,
UltraSPARC IV+ commencera sa carrière à 1.8Ghz et promet d'offrir des performances par
"thread" doublées par rapport à son prédécesseur, l'UltraSPARC IV. C'est enfin le premier
processeur de Sun gravé en 90nm.
Il s'agit probablement du dernier processeur de la gamme UltraSPARC puisque le futur de
Sun repose sûr les lignées Niagara et Rock, prévues pour 2006, qui seront massivement
multi-cores.
Tableaux récapitulatifs P4 et AMD
Nom
commercial
Nom de code
socket
Fréquence /
Série
FSB
Gravure
Cache L1
L2 L3
Pentium 4
willamette
423
1.3
100 /400
0.18µ
8/256 ko
Pentium 4
willamette
423
1.4
100 /400
0.18µ
8/256 ko
Pentium 4
willamette
423/478
1.5
100 /400
0.18µ
8/256 ko
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Pentium 4
willamette
423/478
1.6
100 /400
0.18µ
8/256 ko
Pentium 4
Northwood
478
1.6
100 /400
0.18µ
8/512
Pentium 4
Willamette
423/478
1.7
100 /400
0.18µ
8/256
Pentium 4
Willamette
428/478
1.8
100 /400
0.18µ
8/256
Pentium 4
Northwood
478
1.8
100 /400
0.13µ
8/512
Pentium 4
Willamette
423/478
1.9
100 /400
0.18µ
8/256
Pentium 4
Willamette
423/478
2.0
100 /400
0.18µ
8/256
Pentium 4
Northwood
478
2.0
100 /400
0.13µ
8/512
Pentium 4
Northwood
478
2.0
100 /400
0.13µ
8/512
Pentium 4
Northwood
478
2.2
133 /533
0.13µ
8/512
Pentium 4
Northwood
478
2.26
100 /400
0.13µ
8/512
Pentium 4
Northwood
478
2.4
133 /533
0.13µ
8/512
Pentium 4
Northwood
478
2.4
200 /800
0.13µ
8/512
Pentium 4
Northwood
478
2.5
100 /400
0.13µ
8/512
Pentium 4
Northwood
478
2.53
133 /533
0.13µ
8/512
Pentium 4
Northwood
478
2.6
200 /800
0.13µ
8/512
Pentium 4
Northwood
478
2.66
133 /533
0.13µ
8/512
Pentium 4
Northwood
478
2.8
133 /533
0.13µ
8/512
Pentium 4
Prestonia
478
2.8
133 /533
0.09µ
16/1024
Pentium 4
Prescott
478
2.8
200 /800
0.09µ
16/1024
Pentium 4
Northwood
478
3.0
200 /800
0.13µ
8/512
Pentium 4
Prescott
478
3.0
200 /800
0.09µ
16/1024
Pentium 4
Northwood
478
3.06
133 /533
0.13µ
8/512
Pentium 4
Northwood
478
3.2
200 /800
0.13µ
8/512
Pentium 4
Gallatin
(northwood)
478
3.2
200 /800
0.13µ
8/512/2048
Pentium 4
Prescott
478
3.2
200 /800
0.09µ
16/1024
Pentium 4
Northwood
Gallatin
(northwood)
478
3.4
200 /800
0.13µ
8/512
478
3.4
200 /800
0.13µ
8/512/2048
Pentium 4
Nouvelle appellation depuis mai 2004
Pentium 4
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Prescott
5 / 2.8 et 3.6
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800
512/1024
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Celeron D
3
Pentium M LV
Pentium M ULV
7
Mobile Pentium
4
5
Celeron M
Celeron M ULV
3
Chapitre 7, Page 6
Nom
commercial
Nom de code
Athlon XP
Palomino
µ
Athlon XP
Palomino
µ
Athlon XP
Palomino
µ
Athlon XP
Thoroughbred
µ
Athlon XP
Palomino
µ
Athlon XP
Thoroughbred
µ
Athlon XP
Palomino
µ
Athlon XP
Thoroughbred
µ
Athlon XP
Palomino
µ
Athlon XP
Thoroughbred
µ
Athlon XP
Palomino
µ
Athlon XP
Thoroughbred
µ
Athlon XP
Thoroughbred
µ
Athlon XP
Thoroughbred
µ
Athlon XP
Barton
µ
Athlon XP
Thoroughbred
µ
Athlon XP
Thoroughbred
µ
Athlon XP
Barton
µ
Athlon XP
Thoroughbred
µ
Athlon XP
Thoroughbred
µ
Athlon XP
Barton
µ
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Socket
Fréquence
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FSB
Gravure
Cache L1
L2 L3
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Chapitre 7, Page 7
Athlon XP
Barton
µ
Athlon XP
Barton
µ
Athlon XP
Barton
µ
Athlon XP
Athlon XP
Athlon 64
Athlon 64
Claw
Hammer
Claw
Hammer
Claw
Hammer
Sempron
Paris
µ
µ
µ
A / 754 /
939
2500 / 2800 /
3200 / 3500
Composition des microprocesseurs.
Voire fiche technique No
7-A et 7-B
Ils sont constitués d’une pastille de silicium sur laquelle sont gravés, par un procédé
photochimique, les circuits. Le tout est noyé dans un boîtier en céramique. En plus des
circuits, certains processeurs (depuis le 386) contiennent une mémoire cache de 8 à 128Ko.
Depuis les processeurs de type 486, on a également ajouté un composant, « L’unité de calcul
en virgule flottante ou coprocesseur arithmétique », qui a pour tâche de soulager le
processeur de toutes les opérations de calcul complexes.
Composants internes au microprocesseur.
Voire fiche technique No
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
7-A1
« L’unité d’anticipation » : Elle se charge de la lecture des instructions en mémoire et
les transmet dans une liste d’attente (queue) avant d’aller lire l’instruction suivante.
Si la queue est remplie, l’unité d’anticipation arrête de travailler et attend que la liste
d’attente soit de nouveau libre.
« L’unité de décodage » : Elle traduit les instructions se trouvant dans la queue sous
forme compréhensible par l’unité d’exécution et les passe ensuite à l’unité de contrôle.
« L’unité de contrôle » se charge de vérifier que les accès en mémoire soient valides et
ne provoquent pas de conflits.
« Coprocesseur arithmétique », s’il est présent bien entendu, se charge de toutes les
opérations de calculs. Il laisse à charge de l’UAL les autres instructions.
« L’UAL » prend en charge les instructions qui ne concernent pas le coprocesseur. Si le
coprocesseur est absent, elle prend en charge les instructions arithmétiques.
« L’unité de pagination et de segmentation» traduisent les adresses mémoires
(manipulées par les instructions, autrement dit les programmes) en adresse physique
(adressable par le processeur). Cette opération est rendue nécessaire par le souci de
compatibilité avec les processeurs 8086 d’Intel qui ne pouvaient adresser plus de
1024Ko de mémoire.
« La mémoire cache (Niveau 1) » stocke aussi bien les instructions que les données.
Elle est contrôlée par un algorithme très complexe qui anticipe la lecture des
instructions et des données et les stocke pour un éventuel usage. Lorsque ces
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8.
9.
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Chapitre 7, Page 8
instructions sont lues en mémoire cache, le processeur gagne un temps considérable.
Le but de cette mémoire cache est d’accélérer les opérations de lecture en mémoire.
« Le démultiplieur de fréquence » Certains processeurs ont une fréquence interne plus
importante que l’externe. C’est ce composant qui augmente la fréquence interne.
« L’unité d’interface du bus » C’est ce composant qui assure la communication avec le
bus de données.
5 UAL
6 Unité de pagination et de
segmentation
4 Coprocesseur
7 Mémoire cache L1 et/ou L2
3 Unité de contrôle
8 Multiplieur de fréquence
2 Unité de décodage
Queue
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1 Unité d’anticipation
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9 Unité d’interface de bus
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Chapitre 7, Page 9
Le boîtier.
Leur apparence varie selon le type de fixation choisi.
• Le plus courant reste le type PPGA (Plastic Pin Grid Array) présenté ci-dessous. Ce
modèle, muni de broches, s’enfonce avec une forte pression dans un support perforé
ou ZIF (Zéro Insertion Force). Il n’est pas rare de trouver, surtout sur de vieilles
machines,
• le type PQFP (Plastic Quad Flat Pack) est soudé sur la carte mère.
• Le type PLCC (Plastic Lead Chip Carrier) est inséré dans un compartiment
récepteur.
• Le support TCP (Tape Carrier Package) est une forme de processeur développé
spécifiquement pour les portatifs. Le processeur est enveloppé d’un simple film, cela
pour une épaisseur totale de 1mm et un poids d’environ 1 gramme. Le silicium est
soudé à un matériau thermo conducteur. La chaleur est conduite par les plots de
soudure sous la carte mère. Ainsi, il n’est plus nécessaire de le refroidir avec un
ventilateur et le dégagement de chaleur sur sa face supérieure est très faible. Le
Mobile Pentium d’Intel est, par exemple, disponible dans ce format.
PPGA
PLCC
PQFP
TCP
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Chapitre 7, Page 10
LGA 775
Le support.
La mise en place d’un processeur doit se faire avec de grandes précautions. Veillez à bien
superposer le détrompeur du processeur (un coin tronqué ou un point de couleur) sur celui
du support (dans la figure de droite, il s’agit d’un
support ZIF). Sur les machines antérieures au
Pentium, le support LIF était couramment utilisé. Ce
dernier n’est en fait qu’une base perforée où le
processeur devait être inséré de force. Il fallait éviter à
tout prix de plier les broches qui pouvaient casser. On
pouvait alors soit utiliser un extracteur ou faire levier
doucement avec un tournevis. Désormais utilisé, le
support ZIF est constitué d’un socle plastique,
généralement de couleur bleue et d’un levier. Lorsque ce dernier est levé, le processeur n’est
plus maintenu et peut être extrait sans effort, d’où son nom. Différentes versions sont
disponibles :
ZIF1.
Utilisé sur les cartes mères 486, il possédait 168 ou 169 broches et était peu
courant.
ZIF2
Utilisé sur les cartes mères 486, il possédait 239 broches et était aussi peu
répandu.
ZIF3.
Support typique des processeurs 486, comptant 237 broches.
ZIF4..
Support utilisé par les premiers Pentium (60 et 66 Mhz).
ZIF5.
Support utilisé par les Pentium de la série P54C, jusqu’à 166Mhz. Il possède
320 broches.
ZIF6.
Utilisé sur les cartes mères 486, il possédait 235 broches et était rare.
ZIF7.
Il s’agit d’une extension du ZIF5, destiné aux machines de plus de 166Mhz.
Une broche a été rajoutée pour le support de l’Overdrive P55CT. C’est le
support standard pour les processeurs AMD K6 et Cyrix/IBM 6x86MX
ZIF8.
De 1995, support destiné au Pentium Pro
Socket A AMD
Les supports en ligne se nomment des slots
Slot One. Connecteur destiné à accueillir la carte processeur du Pentium II. Il ne peut
pas fonctionner sur des cartes mères d’une fréquence supérieure à 66Mhz.
Slot Two. Support destiné à accueillir le XEON.
Slot M.
Utilisé pour le Merced d’Intel 64 bits (Itanium).
Slot A
AMD
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Slot B
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Chapitre 7, Page 11
AMD
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Chapitre 7, Page 12
La famille.
Intel a fixé une norme nommée 80x86, le x représentant la famille. On parle ainsi de
386, 486, … Un nombre élevé signifie un processeur de conception récente et donc plus
puissant. Cette dénomination a été reprise par ses concurrents. Aux Etats-Unis, une
appellation composée seulement de nombres ne peut être protégée,
c’est pour cette raison que les processeurs de la 1ère génération de
Pentium (du grec Penta et de silicium) d’Intel se nomme Pentium et
non 586 et qu’à la place de 686, Intel l’a nommé Pentium Pro.
Actuellement seuls les Pentium III et Pentium IV sont en
fabrication. Ces indications sont clairement indiquées sur la surface
du processeur. En fait, la puissance a été augmentée grâce à un jeu
d’instructions plus évolué et à une technologie plus poussée. Le
numéro mentionné sur le CPU, permettra de déterminer les
performances du CPU, l’adresse ci-dessous vous y amèneras
directement.
http://developer.intel.com/design/pentium/qit/
Chez les concurrents d’Intel, les dénominations sont plus hasardeuses. Un Cyrix/IBM
6x86MX se veut égal à un AMD K6, lui-même équivalent au Pentium II (cette
affirmation est dépendante des fréquences utilisées).
Le voltage.
Jusqu’au Intel 486DX2, les processeurs avaient toujours un voltage de 5V. Mais pour les
486DX4 et les Pentiums dès 75Mhz, cette valeur est descendue à 3.3V, 3.1V voire en
dessous. Ce choix a été poussé par deux raisons :
1. D’une part, il était nécessaire de diminuer l’important dégagement de chaleur lié à
des fréquences élevées.
2. La seconde raison est due à la mode écologique actuelle, on réduit ainsi la
consommation d’énergie. Le principal problème posé par la réduction de tension est
l’augmentation de la sensibilité aux parasites.
La fréquence.
En dehors de la famille du processeur, la fréquence est un élément déterminant de la
vitesse de ce composant. Celle-ci est exprimée en MégaHertZ (Mhz), soit en million de
cycles à la seconde. Il convient de savoir qu’une opération effectuée par l’utilisateur peut
correspondre à de nombreux cycles pour le processeur. Mais, plus la fréquence est élevée,
plus le processeur réagira vite. C’est pour cette raison que des processeurs 486DX4
100Mhz dépassaient des Pentium 60Mhz à configuration identique. Actuellement la
fréquence des CPU dépasse le Ghz.
Bi processeurs
La question suivante se pose souvent :
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Chapitre 7, Page 13
Si l’on possède 2 CPUs, ira-t-on 2 fois plus vite. La réponse est non, jamais un pc avec 2
CPUs n’ira plus vite que s’il n’e avait qu’un. Pire, la majorité des applications n’iront pas
plus vite en ajoutant un second CPU.
Généralement les applications sont conçues pour fonctionner en monothread, c’est-à-dire
une tâche à la fois. Un thread ne pouvant pas être réparti sur plusieurs CPUs , vous
n’avez donc pas intérêt à priori, d‘acheter un PC bi processeur
Les OS biprocesseurs sont
1. NT4.0
2. Windows 2000
3. Xp pro
4. Unix
5. Linux
6. BeOS
7. OS/2 Warp
La cache L1
(Garde et accélère les instructions de CPU) de 8 à 128 ko
D’une taille comprise entre 8 et
64ko, cette mémoire est toujours
Cache Level 1 (L1)
SRAM
CPU
placée dans le processeur. Elle
est souvent appelée cache
interne ou registres
La cache L2
(Accélère les données entre la Ram et le cpu) de 256 à 1024 Ko
Cette mémoire a une vitesse
Carte mère, carte située entre 8 et 20ns pour une
SEC ou encore
taille comprise entre 64 et 512k,
Cache Level 2 (L2)
SRAM
inclus dans le
voire 2 Mo pour certains CPU.
CPU
Sa position varie selon le
processeur utilisé.
La cache L3
(Varie entre 0.5 et 4 M.O)
Cache Level 3 (L3)
Xeon
dans le CPU
Cache Level 3 (L3)
Itanium I
dans le CPU
Cache Level 3 (L3)
Itanium II
dans le CPU
La capacité de la L3 varie entre
0.5 et 2Mo, travaillant à la
fréquence du CPU
2 ou 4 Mo
1.5 à 3Mo à la fréquence du
CPU
Le coprocesseur (ou FPU).
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Chapitre 7, Page 14
Jusqu’au 386, toutes les instructions étaient prises en charge par le processeur. On
trouvait alors un coprocesseur externe. D’apparence semblable au processeur, son rôle
est de prendre en charge toutes les instructions dites à virgule flottante (floating point).
Il décharge ainsi le processeur de ce type d’instruction, augmentant la vitesse générale
du PC. Lorsqu’il est externe, il doit tourner à la même fréquence que le processeur. Son
nom finit toujours par un 7, ainsi un 386 40Mhz utilisera un coprocesseur 387 40Mhz. Il
est maintenant intégré dans les processeurs 486DX, et optionnel pour les 486SX.
Attention, DX et SX ne signifient pas la même chose pour les processeurs 386 (ils
décrivent la largeur des bus). Depuis la gamme Pentium, le coprocesseur est intégré
d’office.
Le Bus processeur ou bus système.(Fréquence externe FSB)
Il est le lien entre le processeur et les autres composants chipset (North Bridge). Il
assure également la communication entre le cache de niveau 2 et le processeur. Il
fonctionne à la même fréquence que celle du processeur. (Attention : il s’agit de la
fréquence externe du processeur, généralement plus basse que l’interne). Ainsi un
Pentium II 450 a une fréquence interne de 450Mhz et une fréquence externe de 100Mhz.
En ce cas, la fréquence du bus processeur est de 100Mhz. Pour le P4, le débit de ce bus
peut atteindre un débit de 3,2 Go/s.
Le Bus d’adresse.
Les microprocesseurs utilisent ce bus pour choisir l’emplacement mémoire à adresser.
Chaque emplacement adressable est composé d’un octet. Il détermine également la
capacité mémoire adressable par le processeur. Pour un PC de la génération PC-XT, ce
bus avait une largeur de 20 bits ce qui représentait une mémoire adressable de 1 Mo soit
220. Il est de 32 bits pour un 486 et de 36 bits pour les Pentiums Pro. Il lie le processeur
à la mémoire vive.
Le Bus de données (E/S).
Il permet la communication avec les périphériques externes (HD, Vidéo, etc.). Voir le
chapitre « Architecture interne »
Cisc ou Risc.
Ces termes, actuellement très à la mode, décrivent la technologie adoptée par un
processeur. Dans le monde PC, le CISC est le plus utilisé. Seul le Pentium et ses
concurrents utilisent certaines technologies empruntées de la famille RISC. Le CISC
(Complex Instruction Set Computer) est une technologie basée sur un jeu de plus de 400
instructions. La complexité de ces instructions fait que l’une d’entre elles peut prendre
plusieurs cycles pour être exécutée. Le RISC (Reduced Instruction Set Computer) n’offre
que 128 instructions, dites de base. Mais une instruction peut être exécutée en un seul
cycle. L’avenir des processeurs PC passera forcement au RISC, ce qui oblige à une
programmation plus ardue. Un processeur RISC peut atteindre une vitesse d’exécution
jusqu’à 70% plus rapide qu’un CISC de même fréquence.
Malheureusement, un programme écrit pour un processeur CISC n’est pas compatible
avec un processeur purement RISC. Deux solutions sont alors possibles.
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Chapitre 7, Page 15
1. La première consiste à créer un processeur dialoguant avec l’extérieur en CISC,
et traitant les données internes en CISC. Dans ce cas, il intègre des unités
chargées de traduire les instructions ainsi que les adresses mémoire. Cela
diminue la puissance effective du processeur, mais il devient alors nettement plus
intéressant pour les acheteurs potentiels, qui n’ont pas à updater tous leurs
logiciels. Intel a adopté cette solution pour le Merced.
2. La seconde solution consiste à développer un émulateur logiciel, choix retenu par
Digital pour sa gamme Alpha. Si l’utilisateur désire exploiter pleinement la
puissance disponible, il choisira un produit compilé pour ce processeur (par
exemple Microsoft Windows NT). Dans le cas contraire, il aura une relativement
bonne compatibilité avec ses logiciels en utilisant l’émulateur. Mais méfiance,
aucun compilateur n’offre une aussi grande stabilité qu’un logiciel fonctionnant
en mode natif.
Les pipelines.
Avant l’arrivée des pipelines, le CPU ne commençait le traitement de l’instruction
suivante que lorsqu’il avait terminé la précédente. Le principe de pipeline consiste à
intégrer plusieurs blocs fonctionnels au sein du processeur. Chacun de ces blocs est
chargé de remplir une fonction spécifique dans le processus de traitement. On peut
comparer un pipeline à une chaîne de montage. Chaque poste remplit une fonction
spécifique, pour aboutir à un produit fini à la sortie de la chaîne.
Ainsi, un pipeline intègre un module spécialisé dans le chargement d’une instruction, le
suivant de son décodage, et ainsi de suite. Chaque module prend un temps x en
nanosecondes pour exécuter son travail. Le temps de traitement global correspond au
temps x multiplié par le nombre de modules. L’avantage évident de ce procédé est qu’il
permet de traiter plusieurs instructions simultanément, une par module. Dès qu’une est
sortie du pipeline, une suivante y pénètre.
La principale difficulté consiste à remplir ce pipeline de manière optimale. En effet, une
boucle ou une instruction de saut peut ralentir, voire rendre inopérant le pipeline.
L’unité de contrôle du processeur est chargée d’agencer les instructions de manière à
éviter ce genre de problème. Par contre, elle ne peut améliorer un mauvais programme.
Sa faculté de « deviner » les instructions suivantes n’est valable qu’à court terme.
Les processeurs de la famille Pentium xx sont dotés de un ou plusieurs pipelines. Par
exemple, le Pentium propose deux pipelines, le u-pipe et le v-pipe.
1. Le premier à accès à l’unité à virgule flottante (le coprocesseur).
2. le second ne peut traiter que des nombres entiers. Ainsi, les instructions vont être
dirigées en fonction de leur type sur le bon pipeline. Il convient de noter que les
deux n’auront pas en permanence une même charge. Suivant les instructions, l’un
des deux risque d’être nettement plus sollicité que le second.
Hyper Threading
La technologie Hyper threading permet à un CPU physique de simuler 2 CPUs logiques.
L’O.S. et les applications multi-thread croient alors avoir à faire à 2 CPUs, ce qui
augmente les performances générales du système d’environ 30% « selon INTEL ». Cela
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Chapitre 7, Page 16
est moins efficace que 2 CPUs physique. De plus, cela n’est pas d’une grande utilité pour
les applications grands public, car la majorité de ces applications fonctionnent en
monothread.
La technologie de l'hyperthreading offrirait, en détectant un second processeur logique,
un gain de performances d'environ 50%. Pour le moment, le gain moyen se situe entre 5
et 15% pour les applications multithread. Quant aux applications bureautiques, il est
quasi nul.
Deux ans après la présentation du Pentium 4, la puce atteint désormais deux fois la
fréquence d'horloge d'origine. Mais le Pentium ne s'arrête pas là: le nombre d'unités
logiques du processeur se voit également multiplié par deux. Dans le processeur avec
hyperthreading, il existe deux "cerveaux" qui prennent le contrôle à certains moments
sur le fonctionnement du processeur. À la différence d'une "personnalité multiple
maladive", le Pentium 4 avec hyperthreading ne connaît pas de pertes de mémoire. Intel
a équipé le processeur de telle façon que les deux parties savent en permanence ce que
fait l'autre et peuvent, le cas échéant, caler leurs propres actions sur celles de l'autre.
À la différence d'autres processeurs de serveurs d'IBM qui contiennent sur une même
surface de puce deux noyaux de processeur physiquement identiques, Intel a simplement
apporté quelques petites améliorations (surface de la puce supérieure de 5% à celle du
processeur Pentium 4 précédent sans hyperthreading) qui signalent au système
d'exploitation deux processeurs logiques. Ainsi, le processeur est censé travailler de
façon plus efficace et être mieux équilibrée.
Intel travaille sur cette technologie depuis 1990. Plus en détail, Intel a augmenté la
taille des mémoires caches du Pentium 4 avec hyperthreading
Avec la technologie hyperthreading, Intel a désormais implémenté dans le Pentium 4
une technologie permettant à la puce de travailler encore plus efficacement. Mais le
meilleur reste à venir: plus la fréquence est élevée, plus les avantages de cette nouvelle
technologie sont importants. Lorsque la fréquence est élevée, le processeur doit attendre
de plus en plus souvent d'autres ressources telles que la mémoire ou le graphisme; par
conséquent, le potentiel d'efficacité augmente. Dans un tel scénario, l'hyperthreading se
révèle particulièrement intéressant et le P4 est ainsi bien paré pour l'avenir.
Certaines applications et systèmes d'exploitation ne supportent pas le
mulithread
Cette technologie n'est intégrée que maintenant car il n'existait auparavant pas
suffisamment d'applications ni de systèmes d'exploitation supportant le multithread. La
très large propagation de Windows XP et de Linux ainsi que la disponibilité
d'applications prenant en charge le multithreading a cependant complètement changé la
donne.
Afin d'utiliser un processeur à hypertheading, une carte mère correspondante prenant en
charge cette technologie est nécessaire. Pour l'heure, seules des cartes mères avec les
jeux de composants (chipset) Intel 845 et 850 en sont capables. Cependant, il est prévu
que d'autres constructeurs viennent s'ajouter. Il semblerait que SIS ait déclaré pouvoir
présenter un jeu de composants correspondant qui supporterait l'hyperthreading.
Selon Intel, les systèmes Windows XP (aussi bien version professionnelle que familiale)
qui ont fait l'objet de la mise à jour SP1 (Service Pack 1) ainsi que la toute dernière
version de Linux sont compatibles avec les nouveaux processeurs. Néanmoins, une
nouvelle installation du système d'exploitation est nécessaire car sinon, le deuxième
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Chapitre 7, Page 17
processeur logique n'est pas détecté. Le Pentium 4 travaille alors en mode normal avec
un seul noyau de processeur.
Temps de démarrage de Windows XP
L'impression subjective selon laquelle le système d'exploitation réagit également mieux
grâce à cette nouvelle technologie est confirmée par la mesure du temps nécessaire à
Windows XP pour démarrer. Lorsque l'hyperthreading est activé, le temps nécessaire au
processus de connexion (login) et au démarrage des services système (service) est de
13,31 secondes. Sans hyperthreading, ce même temps passe à 17,38 secondes.
L'hyperthreading permet également de gagner du temps par rapport au chargement des
pilotes et porte alors le temps nécessaire au démarrage de XP à 25 secondes. Sans
hyperthreading, ce même temps dépasse 30 secondes.
64 bits
Avant de commencer, il est bon de rappeler que le Pentium IV et l’Athlon sont des CPUs
utilisant une architecture et un jeu d’instruction de 32 bits.
Le 1er CPU commercialisé par INTEL est l’ITANIUM, le constructeur en est déjà à sa
seconde version. En pratique les premiers CPUs 64 bits d’Intel admettent un adressage
sur 44 bits, ce qui permet de gérer un volume de données de 18 T.O. (1800 G.O)
Ceci est très intéressant sur le plan des performances, seulement il existe 2 problèmes,
et non des moindres.
1. Il s’agit de l’incompatibilité entre l’Itanium et les applications x86 de 32bits. Un
mode d’émulation existe et permet de faire fonctionner de telles applications.
Mais les performances sont inintéressantes. Il faut employer des applications
purement 64 bits.
2. Les OS 64 bits existants de nos jours sont professionnels, de type UNIX, et la
version XP 64 bits n’existe qu’en versions bêta.
En ce qui concerne AMD, il y aurait une transition souple entre les 32 et 64 bits. Les
champs d’application des 64 bits sont les stations haut de gamme et les serveurs.
L’exécution dynamique.
L’exécution dynamique peut être décomposée en trois composants :
La prédiction de
Branchement.
Ce procédé consiste à deviner l’emplacement de la prochaine
instruction devant être traitée, puis à la diriger vers le bon
pipeline. Cela permet d’éviter les sauts et les boucles risquant de
faire perdre les gains apportés par les pipelines.
Au dire d’Intel, un processeur tel que le Pentium II aurait une
capacité de prédiction de l’ordre de 90%
L’analyse de flux.
Ce procédé est chargé de réagencer l’ordre de traitement des
données afin de l’optimiser. Il devra aussi choisir entre les deux
pipelines, l’entier et celui à virgule flottante. De plus, il lui est
nécessaire de tenir compte du temps de traitement de chaque
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Chapitre 7, Page 18
instruction.
Ainsi, il permet d’obtenir de bien meilleures performances qu’en
traitant le programme original tel quel. En fait, il se charge de
réparer les dégâts provoqués par un mauvais compilateur.
L’exécution
spéculative.
Ce dernier procédé travaille main dans la main avec la prédiction
de branchement. Il permet de traiter les instructions des
différentes portions de code envisageable à l’avance. Ainsi, il peut
anticiper le résultat qui devra être obtenu après un saut.
Le refroidissement.
Les processeurs doivent toujours être parfaitement ventilés et refroidis, en particulier
ceux ayant une fréquence supérieure à 50 Mhz. S’il surchauffe, il peut endommager la
carte mère ou s’arrêter de façon intermittente, provoquant une plantée générale du
système. Dans le pire des cas, le processeur peut carrément se fendre. Il existe plusieurs
procédés pour atteindre ce but, en voici 3 :
1. Le radiateur passif. Le radiateur passif n’est qu’une plaque métallique avec de
nombreuses ailettes, servant à diffuser la chaleur. Ce système, économique et
silencieux, n’est efficace qu’avec des machines offrant une bonne circulation d’air.
Ainsi, il est déconseillé de laisser le boîtier d’un PC ouvert, cela peut empêcher
une circulation d’air forcée et provoquer une surchauffe (par exemple avec les
Compaq Deskpro).
2. Un IceCap ou ventilateur alimenté électriquement. Le ventilateur actif peut soit
utiliser un connecteur électrique, soit se brancher directement sur la carte mère.
En ce cas, il sera souvent possible d’adapter sa vitesse de rotation en fonction de
la température dégagée par le processeur. Ces deux systèmes sont collés ou fixés
au moyen de pattes sur le processeur. Afin d’obtenir les meilleurs résultats
possibles il est conseillé d’ajouter de la pâte thermique entre le CPU et le
système de refroidissement. Cela aura pour effet d’augmenter la surface de
contact entre ces deux éléments.
3. les systèmes de refroidissement liquide sont les plus silencieux, mais il y a le
revers de la médaille, le prix. Le kit est généralement composé de 3 éléments :
• 1 pompe,
• 1 radiateur
• 1 bloc contenant l’eau
Ce dernier est placé sur le processeur, des tubes permettent de faire entrer et
sortir l’eau. L’eau est réchauffée par le CPU et aspirée par la pompe qui transite
par le radiateur qui contient également un ventilateur, ce qui à pour but
d’accélérer le refroidissement de l’eau. Puis l’eau refroidie est renvoyée au CPU.
Ce procédé est utilisé par le constructeur INNOVATEK.
D’autres systèmes de refroidissement liquides existent, notamment KOOLANCE
ou KRIOTECH
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Chapitre 7, Page 19
La technologie MMX.
Voire fiche technique No
7-C
Il s’agit de 57 instructions relatives aux
opérations multimédia (lecture vidéo, son …). Cette
technologie a été mise au point par Intel, vite imité par les principaux
challengers du marché. MMX (MultiMédia eXtension), nommés aussi P55C.
Le but de cette technologie est d’exploiter au maximum la puissance du
processeur pour des tâches multimédias. Le cache interne du processeur Pentium
passe de 16ko à 32ko. Cinquante-sept instructions ont été ajoutées au microcode.
Celles-ci ont pour but d’accélérer les traitements des images et du son. Pour cela, la
technologie SIMD (Single Instruction Multiple Data) est utilisée. Elle permet de traiter
jusqu’à 8 instructions en un seul cycle d’horloge. Ce point n’est valable qu’avec les
programmes exploitant ce type d’instruction (Photoshop 4, …). De plus, un processeur
MMX est capable d’émuler un modem ou une carte son.
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Chapitre 7, Page 20
GLOSSAIRE.
FPU
FSB
LIF
LV
MMX
PPGA
Quad pumped
UAL
ULV
ZIF
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floating point Unit
Front Side Bus. (Fréquence externe de cpu)
Low Insertion Force
Low Voltage
MultiMedia eXtension
Plastic Pin Grid Array
4 mots de 64 bits par cycle.
Unité arithmétique Logique.
Ultra Low Voltage
Zero Insertion Force.
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Note de
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sur
moins
Chapitre 7, Page 21
pour retard =
6
Synthèse du cours hardware, chap. n° 6 - 7 :
Nom : ............................................................. Prénom : .......................................................
Groupe :......................................................... Date de réception: .........................................
A faire de manière manuscrite.
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Chapitre 7, Page 22
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Visa du prof :________________________
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