Post on 03-Apr-2015
Électronique de base du processeur
PC / Traitement numérique /
Contrôle
Introduction à la structure du µP
Objectif, introduction
Présenter et comprendre le microprocesseur.
Opérations élémentaires
Notion de bus et logique 3 états
Unité arithmétique et logique (ALU)
Instruction et cycle de Von Neumann
Constitution du microprocesseur élémentaire
Démarrage et séquence d’initialisation
Améliorations et performances
Ce travail doit permettre de comprendre les caractéristiques des produits du marché, de choisir un produit et comprendre certaines causes de panne.
a
b
sr
1- Notion d’addition
Quel nom donne-t-on à la fonction logique produisant S ?
Représentation des données
- Soit à additionner les données a et b codées sur 1 bit
Schéma électrique équivalent
0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0
a b r s
retenue
a b c d S0 0 1 0 0 1 1 1
0 1 1 1 1 1 1 0
0 1 1 0
r
0 0 0 1 r
Demi additionneur
2- Opérateur arithmétique “addition”
Qu’advient-il de la retenue ?
Représentation d’un additionneur 2 bits
- Soit à additionner les données a et b codées sur 2 bits
Addition, généralisation
- La structure est construite à partir de la solution obtenue précédemment
0 0 1 0 0 1 1 0
0 0 1 1 0 0 1 1+
0 1 0 1 1 0 0 1
1 1 1 0 0 1 1 0
0 0 1 1 0 0 1 1+
0 0 0 1 1 0 0 11
Prise en charge des dépassements
- Le processeur met en œuvre des indicateurs (flag)
+ Carry : bit de retenue+ Overflow : bit de dépassement
3- Opérateur arithmétique “soustraction”
Quelles sont les étapes pour faire une soustraction.
Définition du complément à 2
- Le processeur complémente tous les bits- Le processeur ajoute 1
0 0 1 0 0 1 1 0Soit à considérer :
Complément de chaque bit : 1 1 0 1 1 0 0 1
+1 : 1 1 0 1 1 0 1 0
Principe de la soustraction
0 0 1 0 0 1 1 0Soit à considérer :Complément à 2 : 1 1 0 1 1 0 1 0
+0 0 0 0 0 0 0 01
Maint. & dép. PC (Dunod)
4- Multiplication, décalage
Qu’advient-il quand on opère un décalage à droite ?
Multiplication
La multiplication peut être considérée comme une suite d’additions. 0 0 1 0 0 1 1 0Soit à considérer le nombre n :
0 0 1 0 0 1 1 0+
0 1 0 0 1 1 0 0 n x 2 =
Décalage à gauche
0 0 1 0 0 1 1 0Soit à considérer le nombre n :
0 0 1 0 0 1 1 0
Comparaison avec n x 2 : 0 1 0 0 1 1 0 0
À un décalage à gauche correspond une multiplication par 2.
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
5- Unité arithmétique et logique (ALU)
Rappeler le principe de fonctionnement des registres et accumulateurs.
- Pour effectuer une opération, il faut :
+ Disposer, en même temps, des données a et b (opérandes)+ Exécuter une suite d’opérations élémentaires (instructions)
+ Maintenir les résultats intermédiaires
- Les opérateurs arithmétiques sont complétés par des opérateurs logiques.
ALU
ACC A
ACC B
ACC C
Décodeur Instruction
ACC = accumulateur(registre tampon)
Données Données
Instructions
Indicateurs (Flag)Reg. état
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
6- Echanges ALU / Mémoire système
Concrètement, comment est matérialisé le bus sur la carte mère ?
- Les données et les instructions doivent être présentes en mémoire.- Les transferts se font sur des bus de 32 ou 64 bits (par exemple).
Unité centrale
(CPU, central processing unit)
MémoireBus
- Les transferts se font sous le contrôle du microprocesseur, au rythme d’une horloge.
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
7- Logique 3 états
Concrètement, comment est réalisé le commutateur ?
- Plusieurs bus peuvent être nécessaires pour assurer le transfert des données/instructions/adresses/….
- Afin de limiter le nombre de fils sur les circuits et boîtiers, un même bus peut être utilisé pour plusieurs usages.- Outre l’aiguillage des données (multiplexeur, démultiplexeur) il faut pouvoir isoler certains circuits.
Ligne de bus
Niveau bas : 0Niveau haut : 1
Haute impédance : H Z
Bit transmis
Bit transmis
Ligne de bus libre
a
b
c
Commandes
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
Transfert donnée
Exécution
8- Cycle de Von Neumann
Définir ce qu’est une adresse et donner son rôle .
Chargement instruction
Début
Décodage
Fin
- Les étapes de l’exécution d’une instruction :
+ Chargement de l’instruction (registre d’instruction)+ Décodage de l’instruction
+ Chargement éventuel des données (opérandes)
+ Exécution de l’instruction
+ Transfert éventuel des résultats+ Retour en début de cycle
- Le déplacement de données se fait en partant d’une adresse.
Next oui
non
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
9- Instructions élémentaires
Donner des exemples d’application des différentes instructions.
Michel.Allemand /univ-nantes.fr
- Chargement :
22 %
- Branchement conditionnel : 20 %
- Comparaison : 16 %
- Rangement : 12 %
- Addition : 8 %
- Et : 6 %
- Soustraction : 5 %
- Transfert (registre à registre) : 4 %
- Appel procédure (branchement) :
1 %
- Retour procédure (branchement) :
1 %
Les instructions peuvent être classées selon leur fréquence d’utilisation (évaluation statistique) :
Source documentaire :
10- Microprocesseur élémentaire
Rappeler la définition de l’ALU et le rôle des ACC. Définir buffer et démultiplexeur.
Unité de calcul
DonnéesALU
Reg. étatACC A
ACC B
ACC C
- Soit à étudier les structures de base du microprocesseur :
Bus
Buffer (3 états)
U
nit
é d
’éch
an
ge
et
Mém
oir
e
Démultiplexeur
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
10- Microprocesseur élémentaire
Rappeler le rôle de l’horloge, du registre d’instruction et du décodeur.
Unité de calcul
U
nit
é d
’éch
an
ge
et
Mém
oir
e
Données
Horloge
Unité de commandeBus de contrôle
ALU
Reg. état
Timing/control
Registre + Décodeur
ACC A
ACC B
ACC C
Buffer (3 états)
Instructions
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
10- Microprocesseur élémentaire
Rappeler ce qu’est une adresse. Définir le rôle de l’unité d’adressage.
Unité de calcul
U
nit
é d
’éch
an
ge
et
Mém
oir
e
Données
Horloge
Unité de commande
Registred’adresse
Unité d’adressage
Bus de contrôle
ALU
Reg. état
Timing/control
Registre + Décodeur
ACC A
ACC B
ACC C
Com
pteu
rPr
ogra
mm
e
Bus
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
11- Fonctionnement du µP élémentaire
Rappeler le rôle de l’horloge. Quelles particularités présente l’alimentation ?
- L’exécution du programme et l’échange de données est assurée par l’unité fonctionnelle (revoir processeur élémentaire). - Le démarrage et le maintien des conditions de fonctionnement sont assurés par l’unité de service.
Unité de calcul
Unité de commande
Unité d’adressage
Alim.Alimentation
VSS
VDD
PLL CLKHorloge
QuartzGénérateurde reset
Reset
Unité de service
Unité fonctionnelle
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
12- Situation au démarrage
Quel devrait être le contenu des registres et accumulateurs en fin de démarrage ?
Revoir le cycle de Von Neumann.- Eléments intervenant au Chargement de l’instruction ?
- registre d’adresse
- registre d’instruction
- Compteur d’adresse
- …
- Eléments intervenant à l’exécution de l’instruction ?
- Accumulateurs
- Registre d’état
- …
Quels sont les contenus des registres à la mise sous tension ?
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
13- Séquence d’initialisation
Quel devrait être le contenu des registres et accumulateurs en fin de démarrage ?
Établissement de VDD et horloge
Chargement aléatoire des registres
Attente d’initialisation Circuit de Reset
Micro-instructions d’initialisationde l’unité de commande
Routine d’initialisation
Branchement
Chargement adresse début
Branchement
Alimentation
Hard reset
Soft resetConcaténation vecteur
Instruction de retour
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
14- Performances du µP
Quelles solutions peuvent permettre d’améliorer les performances ?
- La puissance de travail est parfois exprimé en MIPS (million d’instructions exécutées par seconde).
- La fréquence des horloges internes peut être de plusieurs mégahertz (1 MHz = 106 Hz)
- La puissance de calcul du microprocesseur est limitée par : + Le flux de données entrant et sortant
(transfert avec l’unité d’échange et la mémoire). + L’écriture du programme et le choix des instructions. + La puissance (thermique) dissipée
+ Etc. …
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
15- Amélioration des performances
Étudier ces différentes solutions et les évolutions les plus récentes.
- Architecture « pipeline » : utilise le principe de la chaîne de montage. Concerne les étapes de chaque instruction.
+ Dès que la première étape du cycle d’exécution d’une instruction est réalisée (voir cycle de Von Neumann), une seconde instruction est chargée et ainsi de suite.
- Architecture « super scalaire » : exécution simultanée des tâches, sur des unités de calcul montées en parallèle.
- Choix du jeu d’instructions.
+ Instructions CICS. Extensions MMX,
+ Ajout d’instructions SSE, …
+ Utilisation de plusieurs ALU. + Utilisation d’unité de calcul à virgule flottante (FPU).
Maint. & dép. PC (Dunod)Source documentaire :
Bilan, conclusion
Les différents points de cette étude ont permis d’aborder :
L’importance des échanges avec la mémoire
La notion d’exécution d’instructions
La notion d’adresse
La différence entre unité fonctionnelle et unité de service
L’importance de la séquence de démarrage
L’évaluation des performances
Rechercher les outils permettant de comparer les performances de différents systèmes.
Électronique de base du processeur
Fin
Merci de votre attention …
Introduction à la structure du µP