▷ Parties d'un processeur à l'extérieur et à l'intérieur: concepts de base?

Certes, nous savons tous à peu près ce qu'est un processeur, mais savons - nous vraiment quelles sont les parties d'un processeur ? Chacune et chacune des principales, qui sont nécessaires pour que ce petit carré de silicium soit capable de traiter de grandes quantités d'informations, pouvant faire passer l'humanité à une époque où, sans avoir de systèmes électroniques, ce serait une véritable débâcle.

Les transformateurs font déjà partie de notre vie quotidienne, en particulier des personnes nées au cours des 20 dernières années. Beaucoup sont devenus complètement mélangés à la technologie, sans parler des petits qui mettent un smartphone sous les bras au lieu d'un pain… Dans tous ces appareils, il y a un élément commun appelé processeur, qui est chargé de donner "de l'intelligence" aux les machines qui nous entourent. Si cet élément n'existait pas, les ordinateurs, les mobiles, les robots et les chaînes de montage non plus, bref, tout le monde aurait du travail… mais il serait impossible d'arriver là où nous les avons faits, il n'y a toujours pas de monde comme "Matrix" mais tout ira.

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Qu'est-ce qu'un processeur et pourquoi est-il si important

Tout d'abord, nous devons être conscients que non seulement un ordinateur a un processeur à l'intérieur. Tous les appareils électroniques, tous, ont en leur sein un élément qui fonctionne comme un processeur, que ce soit une horloge numérique, un automate programmable ou un Smartphone.

Mais bien sûr, nous devons également être conscients que, selon leurs capacités et pour ce qu'ils sont fabriqués, les processeurs peuvent être plus ou moins complexes, de la simple exécution d'une succession de codes binaires pour allumer un panneau LED, à la manipulation d'énormes quantités de les informations, y compris leur apprentissage (Machine Learning et Intelligence Artificielle).

Le CPU ou Central Processing Unit en espagnol est un circuit électronique capable d'exécuter les tâches et les instructions contenues dans un programme. Ces instructions sont grandement simplifiées et se résument aux calculs arithmétiques de base (addition, soustraction, multiplication et division), aux opérations logiques (AND, OR, NOT, NOR, NAND) et au contrôle d' entrée / sortie (I / O). des appareils.

Le processeur est alors l'élément chargé de réaliser toutes les opérations qui forment les instructions d'un programme. Si nous nous plaçons du point de vue de la machine, ces opérations sont réduites à de simples chaînes de zéros et de uns, appelées bits, et qui représentent les états actuels / non actuels, formant ainsi des structures logiques binaires dont même l'être humain est capable. comprendre et programmer en code machine, assembleur ou via un langage de programmation de niveau supérieur.

Les transistors, les coupables de tout

Les processeurs n'existeraient pas, au moins aussi petits, sans les transistors. Ils sont pour ainsi dire l' unité de base de tout processeur et circuit intégré. Il s'agit d'un dispositif semi - conducteur qui ferme ou ouvre un circuit électrique ou amplifie un signal. De cette façon, c'est ainsi que nous pouvons créer des uns et des zéros, le langage binaire que le CPU comprend.

Ces transistors ont commencé comme des vannes à vide, d'énormes appareils de type ampoule capables d'effectuer les commutations du transistor, mais avec des éléments mécaniques dans le vide. Des ordinateurs comme l' ENIAC ou EDVAC avaient des vannes à vide à l'intérieur au lieu de transistors et ils étaient immensément grands et consommaient pratiquement l'énergie d'une petite ville. Ces machines étaient les premières à l' architecture Von Neumann.

Mais dans les années 1950 à 1960, les premiers CPU à transistors ont commencé à être créés - en fait, c'était IBM en 1958 quand il a créé sa première machine à semi-conducteurs à transistors avec l' IBM 7090. Depuis lors, l'évolution a été spectaculaire, des fabricants comme Intel, puis AMD ont commencé à créer les premiers processeurs pour ordinateurs de bureau, mettant en œuvre l' architecture révolutionnaire x86, grâce au processeur Intel 8086. En fait, même aujourd'hui, nos processeurs de bureau sont basés sur cette architecture, nous verrons plus tard les parties du processeur x86.

Après cela, l'architecture a commencé à devenir de plus en plus complexe, avec des puces plus petites et aussi avec la première introduction de plus de cœurs à l'intérieur, puis avec des cœurs spécialement dédiés au traitement graphique. Même des banques de mémoire ultra-rapides appelées mémoire cache et le bus de connexion avec la mémoire principale, la RAM, ont été introduits à l'intérieur de ces petites puces.

Les parties externes d'un processeur

Après cette brève revue de l'histoire des processeurs jusqu'à nos jours, nous verrons quels sont les éléments externes d'un processeur actuel. Nous parlons d'éléments physiques qui peuvent être touchés et qui sont à la vue de l'utilisateur. Cela nous aidera à mieux comprendre les besoins physiques et de connectivité d'un processeur.

Prise

Le socket ou socket du CPU est un système électromécanique installé de manière fixe sur une carte mère qui est responsable de l'interconnexion du processeur avec les autres éléments de la carte et de l'ordinateur. Il existe plusieurs types de base sur le marché et également avec de nombreuses configurations différentes. Il y a trois éléments dans votre nom ou votre dénomination qui nous feront comprendre celui dont nous parlons:

Le constructeur peut être Intel ou AMD dans le cas des ordinateurs personnels, c'est quelque chose de simple à comprendre. Quant au type de connexion, nous avons trois types différents:

• LGA: (réseau de contacts de grille), signifie que les broches de contact sont installées dans le socket lui-même, tandis que le CPU n'a qu'un réseau de contacts plat. PGA: (grille de broches), c'est juste l'opposé de la précédente, c'est le processeur qui a les broches, et le socket les trous pour les insérer. BGA: (ball grid array), dans ce cas le processeur est directement soudé à la carte mère.

Quant au dernier numéro, il identifie le type de distribution ou le nombre de broches de connexion que le CPU a avec le socket. Il y en a énormément à la fois dans Intel et AMD.

Substrat

Le substrat est essentiellement le PCB où la puce de silicium qui contient le circuit électronique des noyaux, appelée DIE, est installée. Les processeurs d'aujourd'hui peuvent avoir plus d'un de ces éléments installés séparément.

Mais aussi ce petit PCB contient toute la matrice de broches de connexion avec la prise de la carte mère, presque toujours plaquée or pour améliorer le transfert d'électricité, et avec une protection contre les surcharges et les surtensions sous forme de condensateurs.

MOURIR

Le DIE est précisément le carré ou la puce qui contient tous les circuits intégrés et les composants internes d'un processeur. Visuellement, il est considéré comme un petit élément noir dépassant du substrat et entrant en contact avec l'élément de dissipation thermique.

Parce que tout le système de traitement est à l'intérieur, le DIE atteint des températures incroyablement élevées, il doit donc être protégé par d'autres éléments.

IHS

Également appelé DTS ou Diffuseur Thermique Intégré, sa fonction est de capturer toute la température des cœurs du processeur et de la transférer vers le dissipateur thermique que cet élément a installé. Il est en cuivre ou en aluminium.

Cet élément est une feuille ou encapsulation qui protège le DIE de l'extérieur, et peut être en contact direct avec lui au moyen d'une pâte thermique ou directement soudé. Dans les équipements de jeu personnalisés, les utilisateurs retirent cet IHS pour placer les dissipateurs thermiques directement en contact avec le DIE à l'aide d'une pâte thermique dans un composé de métal liquide. Ce processus est appelé Delidding et son objectif est d'améliorer considérablement les températures du processeur.

Dissipateur

Le dernier élément qui est responsable de capter autant de chaleur que possible et de la transférer dans l'atmosphère. Ce sont de petits ou grands blocs en aluminium et une base en cuivre, munis de ventilateurs qui aident à refroidir toute la surface au moyen d'un courant d'air forcé à travers les ailettes.

Chaque processeur PC a besoin d'un dissipateur thermique pour fonctionner et garder ses températures sous contrôle.

Eh bien, ce sont les parties d'un processeur en externe, maintenant nous allons voir la partie la plus technique, ses composants internes.

Architecture de Von Neumann

Les ordinateurs d'aujourd'hui sont basés sur l' architecture de Von Neumann, qui était le mathématicien chargé de donner vie aux premiers ordinateurs de l'histoire en 1945, vous savez, ENIAC et ses autres grands amis. Cette architecture est fondamentalement la manière dont les éléments ou composants d'un ordinateur sont distribués afin que son fonctionnement soit possible. Il se compose de quatre parties de base:

• Mémoire de programme et de données: c'est l'élément où sont stockées les instructions à exécuter dans le processeur. Il se compose de disques de stockage ou de disques durs, de RAM à accès aléatoire et de programmes contenant les instructions elles-mêmes. Unité centrale de traitement ou CPU: il s'agit du processeur, l'unité qui contrôle et traite toutes les informations provenant de la mémoire principale et des périphériques d'entrée. Unité d'entrée et de sortie: permet la communication avec les périphériques et les composants connectés à l'unité centrale. Physiquement, nous pourrions les identifier comme les emplacements et les ports de notre carte mère. Bus de données: ce sont les pistes, les pistes ou les câbles qui connectent physiquement les éléments. Dans une CPU, ils sont divisés en bus de commande, bus de données et bus d'adresse.

Processeurs multicœurs

Avant de commencer à répertorier les composants internes d'un processeur, il est très important de savoir quels sont les cœurs d'un processeur et leur fonction.

Le cœur d'un processeur est le circuit intégré qui est chargé d'effectuer les calculs nécessaires avec les informations qui le traversent. Chaque processeur fonctionne à une certaine fréquence, mesurée en MHz, qui indique le nombre d'opérations qu'il est capable d'effectuer. Eh bien, les processeurs actuels ont non seulement un cœur, mais plusieurs d'entre eux, tous avec les mêmes composants internes et capables d'exécuter et de résoudre des instructions simultanément dans chaque cycle d'horloge.

Donc, si un processeur principal peut exécuter une instruction dans chaque cycle, s'il en avait 6, il pourrait exécuter 6 de ces instructions dans le même cycle. Il s'agit d'une amélioration spectaculaire des performances, et c'est précisément ce que font les processeurs d'aujourd'hui. Mais nous avons non seulement des cœurs, mais aussi des threads de traitement, qui sont comme une sorte de cœurs logiques à travers lesquels circulent les threads d'un programme.

Consultez notre article sur: quels sont les fils d'un processeur? Différences avec les noyaux pour en savoir plus sur le sujet.

Parties internes d'un processeur (x86)

Il existe de nombreuses architectures et configurations de microprocesseurs différentes, mais celle qui nous intéresse est celle qui se trouve à l'intérieur de nos ordinateurs, et c'est sans aucun doute celle qui reçoit le nom de x86. Nous pourrions le voir directement physiquement ou schématiquement pour le rendre un peu plus clair, sachez que tout cela est au sein du DIE.

Nous devons garder à l'esprit que l'unité de contrôle, l'unité arithmétique-logique, les registres et le FPU seront présents dans chacun des cœurs de processeur.

Voyons d'abord les principaux composants internes:

Unité de contrôle

En anglais appelé Conrol Unit ou CU, il est chargé de diriger le fonctionnement du processeur. Pour ce faire, il envoie des commandes sous forme de signaux de contrôle à la RAM, à l'unité arithmétique et logique et aux périphériques d'entrée et de sortie afin qu'ils sachent comment gérer les informations et les instructions envoyées au processeur. Par exemple, ils collectent des données, effectuent des calculs et stockent les résultats.

Cette unité garantit que le reste des composants fonctionnent en synchronisation en utilisant des signaux d'horloge et de synchronisation. Pratiquement tous les processeurs ont cette unité à l'intérieur, mais disons qu'elle est en dehors de ce qui est le cœur du traitement lui-même. À son tour, nous pouvons distinguer en son sein les parties suivantes:

• Horloge (CLK): elle est responsable de la génération d'un signal carré qui synchronise les composants internes. Il existe d'autres horloges chargées de cette synchronisation entre les éléments, par exemple le multiplicateur, que nous verrons plus loin. Compteur de programmes (CP): contient l'adresse mémoire de la prochaine instruction à exécuter. Registre d'instructions (RI): enregistre l'instruction en cours d'exécution Séquenceur et décodeur: interprète et exécute les instructions via des commandes

Unité arithmétique-logique

Vous le saurez sûrement par son acronyme «ALU». L'ALU est chargée d'effectuer tous les calculs arithmétiques et logiques avec des entiers au niveau du bit, cette unité fonctionne directement avec les instructions (opérandes) et avec l'opération que l'unité de commande lui a demandé de faire (opérateur).

Les opérandes peuvent provenir soit des registres internes du processeur, soit directement de la mémoire RAM, ils peuvent même être générés dans l'ALU lui-même suite à une autre opération. La sortie de ceci sera le résultat de l'opération, étant un autre mot qui sera stocké dans un registre. Ce sont ses parties de base:

• Registres d'entrée (REN): ils contiennent en eux les opérandes à évaluer. Code d'opération: la CU envoie l'opérateur pour que l'opération soit effectuée Accumulateur ou Résultat: le résultat de l'opération sort de l'ALU sous forme de mot binaire Registre d'état (Flag): il stocke différentes conditions à prendre en compte pendant l'opération.

Unité à virgule flottante

Vous le saurez comme FPU ou unité à virgule flottante. Fondamentalement, il s'agit d'une mise à jour effectuée par les processeurs de nouvelle génération qui se spécialise dans le calcul des opérations en virgule flottante à l' aide d'un coprocesseur mathématique. Il existe des unités qui peuvent même effectuer des calculs trigonométriques ou exponentiels.

Fondamentalement, c'est une adaptation pour augmenter les performances des processeurs dans le traitement graphique où les calculs à effectuer sont beaucoup plus lourds et plus complexes que dans les programmes normaux. Dans certains cas, les fonctions du FPU sont exécutées par l'ALU elle-même à l'aide d'un microcode d'instruction.

Records

Les processeurs d'aujourd'hui ont leur propre système de stockage, pour ainsi dire, et l'unité la plus petite et la plus rapide est les registres. Il s'agit essentiellement d'un petit entrepôt où sont stockées les instructions en cours de traitement et les résultats obtenus.

Mémoire cache

Le niveau de stockage suivant est la mémoire cache, qui est également une mémoire extrêmement rapide, bien plus que la mémoire RAM qui est chargée de stocker les instructions qui seront utilisées de manière imminente par le processeur. Ou au moins, vous essaierez de stocker les instructions qui, selon vous, seront utilisées, car parfois il n'y a pas d'autre choix que de les demander directement à partir de la RAM.

Le cache des processeurs actuels est intégré dans le même DIE du processeur, et est divisé en trois niveaux au total, L1, L2 et L3:

• Cache de niveau 1 (L1): il est le plus petit après les journaux et le plus rapide des trois. Chaque cœur de traitement a son propre cache L1, qui à son tour est divisé en deux, les données L1 qui sont responsables du stockage des données et l' instruction L1, qui stocke les instructions à exécuter. Il fait généralement 32 Ko chacun. Cache de niveau 2 (L2) - Cette mémoire est plus lente que L2, mais également plus grande. En règle générale, chaque cœur a son propre L2, qui peut être d'environ 256 Ko, mais dans ce cas, il n'est pas directement intégré dans le circuit du cœur. Cache de niveau 3 (L3): c'est le plus lent des trois, bien que beaucoup plus rapide que la RAM. Il est également situé à l'extérieur des noyaux et est réparti entre plusieurs noyaux. Il varie entre 8 Mo et 16 Mo, bien que dans les processeurs très puissants, il atteigne jusqu'à 30 Mo.

Bus entrants et sortants

Le bus est le canal de communication entre les différents éléments qui composent un ordinateur. Ce sont les lignes physiques à travers lesquelles circulent les données sous forme d'électricité, les instructions et tous les éléments nécessaires au traitement. Ces bus peuvent être placés directement à l'intérieur du processeur ou à l'extérieur de celui-ci, sur la carte mère. Il existe trois types de bus sur un ordinateur:

• Bus de données: sûrement le plus facile à comprendre, car c'est le bus par lequel circulent les données envoyées et reçues par les différents composants, vers ou depuis le processeur. Cela signifie qu'il s'agit d'un bus bidirectionnel et qu'il fera circuler des mots d'une longueur de 64 bits, la longueur que le processeur est capable de gérer. Un exemple de bus de données est LANES ou PCI Express Lines, qui communiquent le CPU avec les emplacements PCI, par exemple, pour une carte graphique. Bus d' adresse: le bus d'adresse ne fait pas circuler de données, mais des adresses mémoire pour localiser l'emplacement des données stockées en mémoire. La RAM est comme un grand magasin de données divisé en cellules, et chacune de ces cellules a sa propre adresse. Ce sera le processeur qui demandera les données en mémoire en envoyant une adresse mémoire, cette adresse doit être aussi grande que les cellules ont la mémoire RAM. Actuellement, un processeur peut adresser des adresses mémoire jusqu'à 64 bits, c'est-à-dire que nous pourrions gérer des mémoires jusqu'à 2 ⁶⁴ cellules. Bus de contrôle: le bus de contrôle est chargé de gérer les deux bus précédents, en utilisant des signaux de contrôle et de synchronisation pour utiliser de manière synchronisée et efficace toutes les informations qui circulent vers ou depuis le processeur. Ce serait comme la tour de contrôle de la circulation aérienne d'un aéroport.

BSB, unité d'entrée / sortie et multiplicateur

Il est important de savoir que les processeurs actuels n'ont pas le FSB ou le bus frontal traditionnel, qui servaient à communiquer le CPU avec le reste des éléments de la carte mère, par exemple, le chipset et les périphériques via le pont nord et le pont sud. Cela est dû au fait que le bus lui-même a été inséré dans la CPU en tant qu'unité de gestion des données d'entrée et de sortie (E / S) qui communique directement la RAM avec le processeur comme s'il s'agissait de l'ancien pont nord. Des technologies comme HyperTransport d'AMD ou HyperThreading d'Intel sont responsables de la gestion de l'échange d'informations sur les processeurs hautes performances.

Le BSB ou Back Side Bus est le bus chargé de connecter le microprocesseur à sa propre mémoire cache, normalement celle de L2. De cette façon, le bus frontal peut être libéré de toute charge, et ainsi rapprocher encore plus la vitesse des caches de la vitesse du cœur.

Et enfin, nous avons les multiplicateurs, qui sont une série d'éléments situés à l'intérieur ou à l'extérieur du processeur qui sont chargés de mesurer la relation entre l'horloge du processeur et l'horloge des bus externes. À ce stade, nous savons que le CPU est connecté à des éléments tels que la RAM, le chipset et d'autres périphériques via des bus. Grâce à ces multiplicateurs, il est possible que la fréquence CPU soit bien plus rapide que les bus externes, afin de pouvoir traiter plus de données.

Un multiplicateur de x10 par exemple, permettra à un système qui fonctionne à 200 MHz, de fonctionner sur le CPU à 2000 MHz. Dans les processeurs actuels, on peut trouver des unités avec le multiplicateur déverrouillé, cela signifie que l'on peut augmenter sa fréquence et donc sa vitesse de traitement. Nous appelons cela l'overclocking.

IGP ou carte graphique interne

Pour finir avec les parties d'un processeur, nous ne pouvons pas oublier l' unité graphique intégrée que certains d'entre eux portent. Avant de voir ce qu'est un FPU, et dans ce cas, nous sommes confrontés à quelque chose de similaire, mais avec beaucoup plus de puissance, car il s'agit essentiellement d' une série de cœurs capables de traiter indépendamment les graphiques de notre équipe, qui à des fins mathématiques, sont une quantité massive de calculs en virgule flottante et de rendu graphique qui serait très gourmande en processeur.

L'IGP fait la même fonction qu'une carte graphique externe, celle que nous avons installée sur le slot PCI-Express, uniquement à une échelle ou une puissance plus petite. Il est appelé processeur graphique intégré car il s'agit d'un circuit intégré installé dans le même processeur qui soulage l'unité centrale de cette série de processus compliqués. Il sera utile lorsque nous n'avons pas de carte graphique, mais pour l'instant, il n'a pas de performances comparables à celles-ci.

AMD et Intel ont tous deux des unités qui intègrent IGP dans le CPU, s'appelant ainsi APU (Accelerated Processing Unit). Un exemple de cela est presque tous les Intel Core de la famille i, ainsi que l'AMD Athlon et certains Ryzen.

Conclusion sur les parties d'un processeur

Eh bien, nous arrivons à la fin de ce long article où nous voyons de manière plus ou moins fondamentale quelles sont les parties d'un processeur, à la fois d'un point de vue externe et interne. La vérité est que c'est un sujet très intéressant mais sacrément complexe et long à expliquer, dont les détails sont au-delà de la compréhension de presque tous ceux qui ne sont pas plongés dans les chaînes de montage et les fabricants de ce type d'appareil.

Maintenant, nous vous laissons avec quelques tutoriels qui peuvent vous intéresser.

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