Fonctionnement d'un ordinateur/Les composants d'un processeur

Dans le chapitre sur le langage machine, on a vu notre processeur comme une espèce de boite noire contenant des registres qui exécutait des instructions les unes après les autres et pouvait accéder à la mémoire. Mais on n'a pas encore vu comment celui-ci était organisé et comment celui-ci fait pour exécuter une instruction. Pour cela, il va falloir nous attaquer à la micro-architecture du processeur. C'est le but de ce chapitre : montrer comment les grands circuits de notre processeur sont organisés et comment ceux-ci permettent d’exécuter une instruction. On verra que notre processeur est très organisé et est divisé en plusieurs grands circuits qui effectuent des fonctions différentes.

L'exécution d'une instruction

Le but d'un processeur, c'est d’exécuter une instruction. Cela nécessite de faire quelques manipulations assez spécifiques et qui sont toutes les mêmes quel que soit l'ordinateur. Pour exécuter une instruction, notre processeur va devoir faire son travail en effectuant des étapes bien précises.

Le cycle d'exécution d'une instruction

Les trois cycles d'une instruction.

Pour exécuter une instruction, le processeur va effectuer trois étapes :

• le processeur charger l'instruction depuis la mémoire : c'est l'étape de chargement (Fetch) ;
• ensuite, le processeur « étudie » la suite de bits de l'instruction et en déduit quelle est l'instruction à éxecuter : c'est l'étape de décodage (Decode) ;
• enfin, le processeur exécute l'instruction : c'est l'étape d’exécution (Execute).

On verra plus tard dans le cours qu'une quatrième étape peut être ajoutée : l'étape d'interruption. Celle-ci permet de gérer des fonctionnalités du processeur nommées interruptions. Nous en parlerons dans le chapitre sur la communication avec les entrées-sorties.

Les micro-instructions

Ces trois étapes ne s'effectuent cependant pas d'un seul bloc. Chaque de ces étapes est elle-même découpée en plusieurs sous-étapes, qui va échanger des données entre registres, effectuer un calcul, ou communiquer avec la mémoire. Pour l'étape de chargement, on peut être sûr que tous les processeurs vont faire la même chose : il n'y a pas 36 façons pour lire une instruction depuis la mémoire. Même chose pour la plupart des processeur, pour l'étape de décodage. Mais cela change pour l'étape d’exécution : toutes les instructions n'ont pas les mêmes besoins suivant ce qu'elles font ou leur mode d'adressage. Voyons cela avec quelques exemples.

Commençons par prendre l'exemple d'une instruction de lecture ou d'écriture en mode d'adressage absolu. Vu son mode d'adressage, l'instruction va indiquer l'adresse à laquelle lire dans sa suite de bits qui la représente en mémoire. L’exécution de l'instruction se fait donc en une seule étape : la lecture proprement dite. Mais si l'on utilise des modes d'adressages plus complexes, les choses changent un petit peu. Reprenons notre instruction Load, mais en utilisant une mode d'adressage utilisé pour des données plus complexe. Par exemple, on va prendre un mode d'adressage du style Base + Index. Avec ce mode d'adressage, l'adresse doit être calculée à partir d'une adresse de base, et d'un indice, les deux étant stockés dans des registres. En plus de devoir lire notre donnée, notre instruction va devoir calculer l'adresse en fonction du contenu fourni par deux registres. L'étape d’exécution s'effectue dorénavant en deux étapes assez différentes : une implique un calcul d'adresse, et l'autre implique un accès à la mémoire.

Prenons maintenant le cas d'une instruction d'addition. Celle-ci va additionner deux opérandes, qui peuvent être soit des registres, soit des données placées en mémoires, soit des constantes. Si les deux opérandes sont dans un registre et que le résultat doit être placé dans un registre, la situation est assez simple : la récupération des opérandes dans les registres, le calcul, et l'enregistrement du résultat dans les registres sont trois étapes distinctes. Maintenant, autre exemple : une opérande est à aller chercher dans la mémoire, une autre dans un registre, et le résultat doit être enregistré dans un registre. On doit alors rajouter une étape : on doit aller chercher la donnée en mémoire. Et on peut aller plus loin en allant cherche notre première opérande en mémoire : il suffit d'utiliser le mode d'adressage Base + Index pour celle-ci. On doit alors rajouter une étape de calcul d'adresse en plus. Ne parlons pas des cas encore pire du style : une opérande en mémoire, l'autre dans un registre, et stocker le résultat en mémoire.

Bref, on voit bien que l’exécution d'une instruction s'effectue en plusieurs étapes distinctes, qui vont soit faire un calcul, soit échanger des données entre registres, soit communiquer avec la RAM. Chaque étape s'appelle une micro-opération, ou encore une micro-instruction. Toute instruction machine est équivalente à une suite de micro-opérations exécutée dans un ordre précis. Dit autrement, chaque instruction machine est traduite en suite de micro-opérations à chaque fois qu'on l’exécute. Certaines µinstructions font un cycle d'horloge, alors que d'autres peuvent prendre plusieurs cycles. Un accès mémoire en RAM peut prendre 200 cycles d'horloge et ne représenter qu'une seule µinstruction, par exemple. Même chose pour certaines opérations de calcul, comme des divisions ou multiplication, qui correspondent à une seule µinstruction mais prennent plusieurs cycles.

Micro-operations

La micro-architecture d'un processeur

Conceptuellement, il est possible de segmenter les circuits du processeur en circuits spécialisés : des circuits chargés de faire des calculs, d'autres chargés de gérer les accès mémoires, etc. Ces circuits sont eux-mêmes regroupés en deux entités : le chemin de données et l'unité de contrôle. Le tout est illustré ci-contre.

• Le chemin de données est l'ensemble des composants où circulent les données, là où se font les calculs, là où se font les échanges entre mémoire RAM et registres, etc. Il contient un circuit pour faire les calculs, appelé l'unité de calcul, les registres et un circuit de communication avec la mémoire. On l'appelle ainsi parce que c'est dans ce chemin de données que les données vont circuler et être traitées dans le processeur.
• L’unité de contrôle charge et interprète les instructions, pour commander le chemin de données. Elle est en charge du chargement et du décodage de l'instruction. Elle regroupe un circuit chargé du Fetch, et un décodeur chargé de l'étape de Decode.

Le chemin de données

Pour effectuer ces calculs, le processeur contient un circuit spécialisé : l'unité de calcul. De plus, le processeur contient des registres, ainsi qu'un circuit d'interface mémoire. Les registres, l'unité de calcul, et l'interface mémoire sont reliés entre eux par un ensemble de fils afin de pouvoir échanger des informations : par exemple, le contenu des registres doit pouvoir être envoyé en entrée de l'unité de calcul, pour additionner leur contenu par exemple. Ce groupe de fils forme ce qu'on appelle le bus interne du processeur. L'ensemble formé par ces composants s’appelle le chemin de données.

Chemin de données

L'unité de contrôle

Si le chemin de données s'occupe de tout ce qui a trait aux donnés, il est complété par un circuit qui s'occupe de tout ce qui a trait aux instructions elles-mêmes. Ce circuit, l'unité de contrôle va notamment charger l'instruction dans le processeur, depuis la mémoire RAM. Il va ensuite configurer le chemin de données pour effectuer l'instruction. Il faut bien contrôler le mouvement des informations dans le chemin de données pour que les calculs se passent sans encombre. Pour cela, l'unité de contrôle contient un circuit : le séquenceur. Ce séquenceur envoie des signaux au chemin de données pour le configurer et le commander.

Il est évident que pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur doit savoir quelle est la prochaine instruction à exécuter : il doit donc contenir une mémoire qui stocke cette information. C'est le rôle du registre d'adresse d'instruction, aussi appelé program counter. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution par divers moyens plus ou moins simples. Généralement, on profite du fait que le programmeur/compilateur place les instructions les unes à la suite des autres en mémoire, dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Ainsi, on peut calculer l'adresse de la prochaine instruction en ajoutant la longueur de l'instruction chargée au program counter.

Intérieur d'un processeur

Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Les processeurs de ce type contiennent toujours un registre d'adresse d'instruction, pour faciliter l’interfaçage avec le bus d'adresse. La partie de l'instruction stockant l'adresse de la prochaine instruction est alors recopiée dans ce registre, pour faciliter sa copie sur le bus d'adresse. Mais le compteur ordinal n'existe pas. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle.

Encodage d'une instruction sur un processeur sans Program Counter.

Des processeurs vendus en kit aux premiers microprocesseurs

Un processeur est un circuit assez complexe et qui utilise beaucoup de transistors. Avant les années 1970, il n'était pas possible de produire un processeur en un seul morceau. Impossible de mettre un processeur dans un seul boitier. Les tout premiers processeurs étaient fabriqués porte logique par porte logique et comprenaient plusieurs milliers de boitiers reliés entre eux. Par la suite, les progrès de la miniaturisation permirent de faire des pièces plus grandes. L'invention du microprocesseur permis de placer tout le processeur dans un seul boitier, une seule puce électronique.

Avant l'invention du microprocesseur

Avant l'invention du microprocesseur, les processeurs étaient fournis en pièces détachées qu'il fallait relier entre elles. Le processeur était composé de plusieurs circuits intégrés, placés sur la même carte mère et connectés ensemble par des fils métalliques. Un exemple de processeur conçu en kit est la série des Intel 3000. Elle regroupe plusieurs circuits séparés : l'Intel 3001 est le séquenceur, l'Intel 3002 est le chemin de données (ALU et registres), le 3003 est un circuit d'anticipation de retenue censé être combiné avec l'ALU, le 3212 est une mémoire tampon, le 3214 est une unité de gestion des interruptions, les 3216/3226 sont des interfaces de bus mémoire. On pourrait aussi citer la famille de circuits intégrés AMD Am2900.

Les ALUs en pièces détachées de l'époque étaient assez simples et géraient 2, 4, 8 bits, rarement 16 bits. Et il était possible d'assembler plusieurs ALU pour créer des ALU plus grandes, par exemple combiner plusieurs ALU 4 bits afin de créer une unité de calcul 8 bits, 12 bits, 16 bits, etc. Il s'agit de la méthode du bit slicing que nous avions abordée dans le chapitre sur les unités de calcul.

L'intel 4004 : le premier microprocesseur

Par la suite, les progrès de la miniaturisation ont permis de mettre un processeur entier dans un seul circuit intégré. C'est ainsi que sont nés les microprocesseurs, à savoir des processeurs qui tiennent tout entier sur une seule puce de silicium. Les tout premiers microprocesseurs étaient des processeurs à application militaire, comme le processeur du F-14 CADC ou celui de l'Air data computer.

Le tout premier microprocesseur commercialisé au grand public est le 4004 d'Intel, sorti en 1971. Il comprenait environ 2300 transistors, avait une fréquence de 740 MHz, et manipulait des entiers de 4 bits. De plus, le processeur manipulait des entiers en BCD, ce qui fait qu'il pouvait manipuler un chiffre BCD à la fois (un chiffre BCD est codé sur 4 bits). Il pouvait faire 46 opérations différentes. C'était au départ un processeur de commande, prévu pour être intégré dans la calculatrice Busicom calculator 141-P, mais il fut utilisé pour d'autres applications quelque temps plus tard. Son successeur, l'Intel 4040, garda ces caractéristiques et n'apportait que quelques améliorations mineures : plus de registres, plus d'opérations, etc.

Immédiatement après le 4004, les premiers microprocesseurs 8 bits furent commercialisés. Le 4004 fut suivi par le 8008 et quelques autres processeurs 8 bits extrêmement connus, comme le 8080 d'Intel, le 68000 de Motorola, le 6502 ou le Z80. Ces processeurs utilisaient là encore des boitiers similaires au 4004, mais avec plus de broches, vu qu'ils étaient passés de 4 à 8 bits. Par exemple, le 8008 utilisait 18 broches, le 8080 était une version améliorée du 8008 avec 40 broches. Le 8086 fut le premier processeur 16 bits.

L'évolution des processeurs dans le temps

La miniaturisation a eu des conséquences notables sur la manière dont sont conçus les processeurs, les mémoires et tous les circuits électroniques en général. On pourrait croire que la miniaturisation a entrainé une augmentation de la complexité des processeurs avec le temps, mais les choses sont à nuancer. Certes, on peut faire beaucoup plus de choses avec un milliard de transistors qu'avec seulement 10000 transistors, ce qui fait que les puces modernes sont d'une certaine manière plus complexes. Mais les anciens processeurs avaient une complexité cachée liée justement au faible nombre de transistors.

Il est difficile de concevoir des circuits avec un faible nombre de transistors, ce qui fait que les fabricants de processeurs devaient utiliser des ruses de sioux pour économiser des transistors. Les circuits des processeurs étaient ainsi fortement optimisés pour économiser des portes logiques, à tous les niveaux. Les circuits les plus simples étaient optimisés à mort, on évitait de dupliquer des circuits, on partageait les circuits au maximum, etc. La conception interne de ces processeurs était simple au premier abord, mais avec quelques pointes de complexité dispersées dans toute la puce.

De nos jours, les processeurs n'ont plus à économiser du transistor et le résultat est à double tranchant. Certes, ils n'ont plus à utiliser des optimisations pour économiser du circuit, mais ils vont au contraire utiliser leurs transistors pour rendre le processeur plus rapide. Beaucoup des techniques que nous verrons dans ce cours, comme l’exécution dans le désordre, le renommage de registres, les mémoires caches, la présence de plusieurs circuits de calcul, et bien d'autres ; améliorent les performances du processeur en ajoutant des circuits en plus. De plus, on n'hésite plus à dupliquer des circuits qu'on aurait autrefois mis en un seul exemplaire partagé. Tout cela rend le processeur plus complexe à l'intérieur.

Une autre contrainte est la facilité de programmation. Les premiers processeurs devaient faciliter au plus la vie du programmeur. Il s'agissait d'une époque où on programmait en assembleur, c'est à dire en utilisant directement les instructions du processeur ! Les processeurs de l'époque utilisaient des jeu d'instruction CISC pour faciliter la vie du programmeur. Pourtant, ils avaient aussi des caractéristiques gênantes pour les programmeurs qui s'expliquent surtout par le faible nombre de transistors de l'époque : peu de registres, registres spécialisés, architectures à pile ou à accumulateur, etc. Ces processeurs étaient assez étranges pour les programmeurs : très simples sur certains points, difficiles pour d'autres.

Les processeurs modernes ont d'autres contraintes. Grâce à la grande quantité de transistors dont ils disposent, ils incorporent des caractéristiques qui les rendent plus simples à programmer et à comprendre (registres banalisés, architectures LOAD-STORE, beaucoup de registres, moins d'instructions complexes, autres). De plus, si on ne programme plus les processeurs à la main, les langages de haut niveau passe par des compilateurs qui eux, programment le processeur. Leur interface avec le logiciel a été simplifiée pour coller au mieux avec ce que savent faire les compilateurs. En conséquence, l’interface logicielle des processeurs modernes est paradoxalement plus minimaliste que pour les vieux processeurs.

Tout cela pour dire que la conception d'un processeur est une affaire de compromis, comme n'importe quelle tâche d'ingénierie. Il n'y a pas de solution parfaite, pas de solution miracle, juste différentes manières de faire qui collent plus ou moins avec la situation. Et les compromis changent avec l'époque et l'évolution de la technologie. Les technologies sont toutes interdépendantes, chaque évolution concernant les transistors influence la conception des puces électroniques, les technologies architecturales utilisées, ce qui influence l'interface avec le logiciel, ce qui influence ce qu'il est possible de faire en logiciel. Et inversement, les contraintes du logiciel influencent les niveaux les plus bas, et ainsi de suite. Cette morale nous suivra dans le reste du cours, où nous verrons qu'il est souvent possible de résoudre un problème de plusieurs manières différentes, toutes utiles, mais avec des avantages et inconvénients différents.