▷ Qu'est-ce qu'un processeur et comment fonctionne-t-il

Aujourd'hui, nous allons voir du matériel. Notre équipe est composée d'un grand nombre de composants électroniques qui, ensemble, sont capables de stocker et de traiter des données. Le processeur, l' unité centrale de traitement ou l' unité centrale de traitement est son composant principal. Nous allons parler de ce qu'est un processeur, de ses composants et de son fonctionnement en détail.

Prêt? Commençons!

Index du contenu

Qu'est-ce qu'un processeur?

La première chose que nous devrons définir est ce qu'est un microprocesseur pour tout savoir. Le microprocesseur est le cerveau d'un ordinateur ou d'un ordinateur, il est composé d'un circuit intégré encapsulé dans une puce de silicium qui est composée de millions de transistors. Sa fonction est de traiter les données, de contrôler le fonctionnement de tous les appareils de l'ordinateur, au moins une grande partie d'entre eux et surtout: il est chargé d'effectuer les opérations logiques et mathématiques.

Si nous nous en rendons compte, toutes les données qui circulent à travers notre machine sont des impulsions électriques, constituées de signaux de uns et de zéros appelés bits. Chacun de ces signaux est groupé en un ensemble de bits qui constituent des instructions et des programmes. Le microprocesseur est chargé de donner un sens à tout cela en effectuant les opérations de base: SUM, SUBTRACT, AND, OR, MUL, DIV, OPPOSITE AND INVERSE. Ensuite, nous devons au microprocesseur:

• Il décode et exécute les instructions des programmes chargés dans la mémoire principale de l'ordinateur. Coordonne et contrôle tous les composants qui composent l'ordinateur et les périphériques qui lui sont connectés, souris, clavier, imprimante, écran, etc.

Les processeurs sont actuellement généralement de forme carrée ou rectangulaire et sont situés sur un élément appelé socket relié à la carte mère. Celui-ci sera chargé de répartir les données entre le processeur et le reste des éléments qui lui sont connectés.

Architecture d'un ordinateur

Dans les sections suivantes, nous verrons toute l'architecture d'un processeur.

Architecture de Von Neumann

Depuis l'invention des microprocesseurs jusqu'à aujourd'hui, ils reposent sur une architecture qui divise le processeur en plusieurs éléments que nous verrons plus loin. C'est ce qu'on appelle l'architecture Von Neumann. Il s'agit d'une architecture inventée en 1945 par le mathématicien Von Neumann qui décrit la conception d'un ordinateur numérique divisé en une série de parties ou d'éléments.

Les processeurs actuels sont encore largement basés sur cette architecture de base, bien que logiquement un grand nombre de nouveaux éléments aient été introduits jusqu'à ce que nous ayons les éléments extrêmement complets que nous avons aujourd'hui. Possibilité de plusieurs numéros sur la même puce, éléments de mémoire à différents niveaux, processeur graphique intégré, etc.

Parties internes d'un ordinateur

Les éléments de base d'un ordinateur selon cette architecture sont les suivants:

• Mémoire: c'est l'élément où sont stockées les instructions que l'ordinateur exécute et les données sur lesquelles les instructions fonctionnent. Ces instructions sont appelées programme. Unité centrale de traitement ou CPU: c'est l'élément que nous avons défini précédemment. Il est en charge du traitement des instructions qui lui parviennent de la mémoire Unité d'entrée et de sortie: il permet la communication avec les éléments externes. Bus de données: ce sont les pistes, les pistes ou les câbles qui connectent physiquement les éléments précédents.

Éléments d'un microprocesseur

Ayant défini les principales parties d'un ordinateur et ayant compris comment l'information circule à travers lui.

• Unité de contrôle (UC): c'est l'élément qui est chargé de donner des ordres via des signaux de contrôle, par exemple l'horloge. Il recherche les instructions dans la mémoire principale et les transmet au décodeur d'instructions pour les exécuter. Parties internes:
  1. Horloge: Génère une onde carrée pour synchroniser les opérations du processeur Compteur de programme: Contient l'adresse mémoire de la prochaine instruction à exécuter Enregistrement d'instruction: Contient l'instruction en cours d'exécution Séquenceur: Génère des commandes élémentaires pour le traitement d'instruction. Décodeur d'instructions (DI): il est chargé d'interpréter et d'exécuter les instructions qui arrivent, d'extraire le code de fonctionnement de l'instruction.

• Unité arithmétique logique (ALU): elle est chargée de faire les calculs arithmétiques (SUM, SOUSTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) et les opérations logiques (AND, OR,…). Pièces internes.
  1. Circuit opérationnel: ils contiennent les multiplexeurs et les circuits pour effectuer les opérations. Registres d'entrée: les données sont stockées et exploitées avant d'entrer dans le circuit opérationnel Accumulateur: stocke les résultats des opérations effectuées Registre d'état (Flag): stocke certaines conditions qui doivent être prises en compte lors des opérations suivantes.

• Unité à virgule flottante (FPU): Cet élément n'était pas dans la conception de l'architecture d'origine, il a été introduit plus tard lorsque les instructions et les calculs sont devenus plus complexes avec l'apparition des programmes représentés graphiquement. Cette unité est chargée d'effectuer des opérations en virgule flottante, c'est-à-dire des nombres réels. Banque d'enregistrement et cache: les processeurs d'aujourd'hui ont une mémoire volatile qui fait le pont entre la RAM et le CPU. Ceci est beaucoup plus rapide que la RAM et est responsable d'accélérer l'accès du microprocesseur à la mémoire principale.

• Front Side Bus (FSB): également appelé bus de données, bus principal ou bus système. C'est le chemin ou le canal qui communique le microprocesseur avec la carte mère, en particulier avec la puce appelée le pont nord ou nothbridge. Il est chargé de contrôler le fonctionnement du bus CPU principal, de la RAM et des ports d'extension tels que PCI-Express. Les termes utilisés pour définir ce bus sont "Quick Path Interconnect" pour Intel et "Hypertransport" pour AMD.

Source: sleeperfurniture.co

Source: ixbtlabs.com

• BUS côté arrière (BSB): ce bus communique la mémoire cache de niveau 2 (L2) avec le processeur, tant qu'il n'est pas intégré dans le cœur du CPU lui-même. Actuellement, tous les microprocesseurs ont une mémoire cache intégrée à la puce elle-même, donc ce bus fait également partie de la même puce.

Microprocesseur à deux cœurs ou plus

Dans le même processeur, non seulement nous aurons ces éléments distribués à l'intérieur, mais ils sont maintenant répliqués. Nous aurons plusieurs cœurs de traitement ou ce sont les mêmes plusieurs microprocesseurs au sein de l'unité. Chacun d'eux aura son propre cache L1 et L2, normalement le L3 est partagé entre eux, par paires ou ensemble.

En plus de cela, nous aurons un ALU, UC, DI et FPU pour chacun des cœurs, de sorte que la vitesse et la capacité de traitement se multiplient en fonction du nombre de cœurs qu'il possède. De nouveaux éléments apparaissent également à l'intérieur des microprocesseurs:

• Contrôleur de mémoire intégré (IMC): Maintenant, avec l'apparition de plusieurs cœurs, le processeur dispose d'un système qui vous permet d'accéder directement à la mémoire principale. GPU intégré (iGP) - Le GPU gère le traitement graphique. Ce sont principalement des opérations en virgule flottante avec des chaînes de bits haute densité, de sorte que le traitement est beaucoup plus complexe que les données de programme normales. Pour cette raison, il existe des gammes de microprocesseurs qui implémentent à l'intérieur une unité exclusivement dédiée au traitement graphique.

Certains processeurs, comme AMD Ryzen, n'ont pas de carte graphique interne. Juste vos APU?

Fonctionnement du microprocesseur

Un processeur fonctionne par instructions, chacune de ces instructions est un code binaire d'une certaine extension que le CPU est capable de comprendre.

Un programme est donc un ensemble d'instructions et pour l'exécuter, il doit être exécuté séquentiellement, c'est-à-dire exécuter une de ces instructions à chaque étape ou période de temps. Pour exécuter une instruction, il y a plusieurs phases:

• Recherche d'instructions: nous apportons l'instruction de la mémoire au processeur Décodage des instructions: l'instruction est divisée en codes plus simples compréhensibles par la CPU. Recherche opérée: avec l'instruction chargée dans la CPU, vous devez trouver l'opérateur correspondant instruction: effectuer l'opération logique ou arithmétique nécessaire Sauvegarde du résultat: le résultat est mis en cache

Chaque processeur fonctionne avec un certain ensemble d'instructions, celles-ci ont évolué avec les processeurs. Le nom x86 ou x386 fait référence à l'ensemble d'instructions avec lesquelles un processeur fonctionne.

Traditionnellement, les processeurs 32 bits ont également été appelés x86, car dans cette architecture, ils ont travaillé avec cet ensemble d'instructions du processeur Intel 80386 qui a été le premier à implémenter une architecture 32 bits.

Cet ensemble d'instructions doit être mis à jour pour fonctionner plus efficacement et avec des programmes plus complexes. Parfois, nous voyons que les exigences pour qu'un programme s'exécute viennent un ensemble d'acronymes tels que SSE, MMX, etc. Ce sont l'ensemble d'instructions qu'un microprocesseur peut gérer. Nous avons donc:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): ils ont permis aux CPU de travailler avec des opérations en virgule flottante. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5, etc.: différentes mises à jour de cet ensemble d'instructions.

Incompatibilité processeur

Nous nous souvenons tous quand un système d'exploitation Apple pouvait fonctionner sur un PC Windows ou Linux. Cela est dû au type d'instructions des différents processeurs. Apple a utilisé des processeurs PowerPC, qui fonctionnaient avec des instructions autres qu'Intel et AMD. Ainsi, il existe plusieurs modèles d'instructions:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): c'est celui utilisé par Intel et AMD, il s'agit d'utiliser un ensemble de quelques instructions, mais complexe. Ils ont une plus grande consommation de ressources, étant des instructions plus complètes qui nécessitent plusieurs cycles d'horloge. RISC (Reduced Instruction Set Computer): c'est celui utilisé par Apple, Motorola, IBM et PowerPC, ce sont des processeurs plus efficaces avec plus d'instructions, mais moins de complexité.

Actuellement, les deux systèmes d'exploitation sont compatibles car Intel et AMD implémentent une combinaison d'architectures dans leurs processeurs.

Processus d'exécution des instructions

1. Le processeur redémarre lorsqu'il reçoit un signal RESET, de cette façon le système se prépare en recevant un signal d'horloge qui déterminera la vitesse du processus. Dans le registre CP (compteur de programme) l'adresse mémoire à laquelle le L'unité de contrôle (UC) émet la commande pour récupérer l'instruction que la RAM a stockée dans l'adresse mémoire qui se trouve dans le CP. Ensuite, la RAM envoie les données et elles sont placées sur le bus de données jusqu'à qui est stocké dans le RI (Instruction Register) L'UC gère le processus et l'instruction passe au décodeur (D) pour trouver la signification de l'instruction. Celui-ci passe ensuite par l'UC pour être exécuté.Une fois que l'on sait quelle est l'instruction et quelle opération effectuer, les deux sont chargés dans les registres d'entrée ALU (REN).L'ALU exécute l'opération et place le résultat dans le bus de données et le CP est ajouté 1 pour exécuter l'instruction suivante.

Comment savoir si un processeur est bon

Pour savoir si un microprocesseur est bon ou mauvais, il faut regarder chacun de ses composants internes:

Largeur du bus

La largeur d'un bus détermine la taille des registres qui peuvent y circuler. Cette largeur doit correspondre à la taille des registres du processeur. De cette façon, nous avons que la largeur du bus représente le plus grand registre qu'il est capable de transporter en une seule opération.

Directement liée au bus sera également la mémoire RAM, il doit pouvoir stocker chacun de ces registres avec la largeur qu'ils ont (c'est ce qu'on appelle la largeur du mot mémoire).

Ce que nous avons actuellement lorsque la largeur du bus est de 32 bits ou 64 bits, c'est-à-dire que nous pouvons simultanément transporter, stocker et traiter des chaînes de 32 ou 64 bits. Avec 32 bits ayant chacun la possibilité d'être 0 ou 1, nous pouvons adresser une quantité de mémoire de 2 ³² (4 Go) et avec 64 bits 16 EB Exabytes. Cela ne signifie pas que nous avons 16 exaoctets de mémoire sur notre ordinateur, mais cela représente plutôt la capacité de gérer et d'utiliser une certaine quantité de mémoire. D'où la fameuse limitation des systèmes 32 bits pour n'adresser que 4 Go de mémoire.

En bref, plus le bus est large, plus la capacité de travail est grande.

Mémoire cache

Ces mémoires sont beaucoup plus petites que la RAM mais beaucoup plus rapides. Sa fonction est de stocker les instructions qui vont être traitées ou les dernières traitées. Plus il y a de mémoire cache, plus la vitesse de transaction que le processeur peut récupérer et supprimer est élevée.

Ici, nous devons être conscients que tout ce qui atteint le processeur provient du disque dur, et cela peut être considéré comme étant beaucoup plus lent que la RAM et encore plus que la mémoire cache. C'est pour cette raison que ces mémoires à semi-conducteurs ont été conçues pour résoudre le gros goulot d'étranglement qu'est le disque dur.

Et nous nous demanderons pourquoi alors non seulement ils fabriquent de grandes caches, la réponse est simple, car ils sont très chers.

Vitesse du processeur interne

La vitesse Internet est presque toujours la chose la plus frappante lorsqu'on regarde un processeur. "Le processeur tourne à 3, 2 GHz", mais qu'est-ce que c'est? La vitesse est la fréquence d'horloge à laquelle le microprocesseur fonctionne. Plus cette vitesse est élevée, plus elle pourra effectuer d'opérations par unité de temps. Cela se traduit par des performances plus élevées, c'est pourquoi il existe une mémoire cache, pour accélérer la collecte de données par le processeur afin de toujours effectuer le nombre maximal d'opérations par unité de temps.

Cette fréquence d'horloge est donnée par un signal d'onde carrée périodique. Le temps maximum pour effectuer une opération est d'une période. La période est l'inverse de la fréquence.

Mais tout n'est pas vitesse. Il existe de nombreux composants qui influencent la vitesse d'un processeur. Si par exemple nous avons un processeur 4 cœurs à 1, 8 GHz et un autre monocœur à 4, 0 GHz, il est certain que le quadricœur est plus rapide.

Vitesse du bus

Tout comme la vitesse du processeur est importante, la vitesse du bus de données est également importante. La carte mère fonctionne toujours à une fréquence d'horloge bien inférieure à celle du microprocesseur, c'est pourquoi nous allons avoir besoin d'un multiplicateur qui ajuste ces fréquences.

Si par exemple nous avons une carte mère avec un bus à une fréquence d'horloge de 200 MHz, un multiplicateur 10x atteindra une fréquence CPU de 2 GHz.

Microarchitecture

La microarchitecture d'un processeur détermine le nombre de transistors par unité de distance qu'il contient. Cette unité est actuellement mesurée en nm (nanomètres), plus elle est petite, plus le nombre de transistors peut être introduit et, par conséquent, le plus grand nombre d'éléments et de circuits intégrés peuvent être logés.

Cela influence directement la consommation d'énergie, les petits appareils nécessiteront moins de flux d'électrons, donc moins d'énergie sera nécessaire pour effectuer les mêmes fonctions que dans une microarchitecture plus grande.

Source: intel.es

Refroidissement des composants

En raison de l'énorme vitesse atteinte par le CPU, le flux de courant génère de la chaleur. Plus la fréquence et la tension seront élevées, plus la production de chaleur sera importante, il est donc nécessaire de refroidir ce composant. Il existe plusieurs façons de procéder:

• Refroidissement passif: au moyen de dissipateurs métalliques (cuivre ou aluminium) qui augmentent la surface de contact avec l'air au moyen d'ailettes. Refroidissement actif: en plus du dissipateur thermique, un ventilateur est également placé pour fournir un flux d'air forcé entre les ailettes de l'élément passif.

• Refroidissement liquide: il se compose d'un circuit composé d'une pompe et d'un radiateur à ailettes. L'eau circule à travers un bloc situé dans le CPU, l'élément liquide recueille la chaleur générée et la transporte vers le radiateur qui, au moyen d'une ventilation forcée, dissipe la chaleur, abaissant à nouveau la température du liquide.

Certains processeurs incluent un dissipateur thermique. Normalement, ils ne sont pas un gros problème… mais ils servent à faire fonctionner le PC et à l'améliorer en même temps

• Refroidissement par caloducs: le système est constitué d'un circuit fermé de tubes en cuivre ou en aluminium remplis de fluide. Ce fluide récupère la chaleur du CPU et s'évapore en remontant vers le haut du système. À ce stade, il existe un dissipateur thermique à ailettes qui échange la chaleur du fluide de l'intérieur vers l'air extérieur, de cette manière le fluide se condense et retombe dans le bloc CPU.

Nous vous recommandons

Ceci conclut notre article sur ce qu'est un processeur et comment il fonctionne en détail. Nous espérons que cela vous a plu.