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Électronique de base du processeur PC / Traitement numérique / Contrôle Introduction à la structure du µP

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Électronique de base du processeur

PC / Traitement numérique /

Contrôle

Introduction à la structure du µP

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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.

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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

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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

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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)

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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 :

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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

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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.

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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

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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

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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 :

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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

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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

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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

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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

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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 ?

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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

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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. …

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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).

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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.

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Électronique de base du processeur

Fin

Merci de votre attention …

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