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Processeur

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(en) Central processing unit → (fr) Processeur ---- (+ d'infos)

Le processeur, (ou CPU, Central Processing Unit, « Unité centrale de traitement » en français) est le composant essentiel d'un ordinateur, qui exécute les programmes et où sont effectués les principaux calculs. Sa cadence (le nombre de micro-instructions qu'il effectue en une seconde) est exprimée en Hertz (Hz).

Il ne s'agit pas nécessairement d'un circuit isolé, même si les progrès techniques depuis les premiers emplois du terme le permettent aujourd'hui. Dans ce cas, on a maintenant tendance à préférer le terme de microprocesseur.

Néanmoins, la distinction entre CPU, processeur et microprocesseur est souvent abandonnée au profit d'une banalisation de ces termes.

En ce qui concerne les ordinateurs de type compatibles PC actuels, les deux principales sociétés qui conçoivent les Processeurs sont Intel et AMD (processeurs compatibles Intel). Cyrix arrêta de produire des processeurs en 1998. Un nouveau venu, VIA, propose des processeurs basse consommation. Dans ces ordinateurs, le processeur se situe sur une prise carrée et composée d'une multitude de trous. Le processeur, lui, est composé d'une multitude de pointes (broches, picots) s'insérant dans ces trous. Cette prise se nomme le socket.

Après avoir été de farouches adversaires dans les années 1980, et IBM se sont associés au début des années 1990 à afin de produire les processeurs PowerPC, basés sur l'architecture Power d'IBM. Apple a utilisé alternativement des processeurs Motorola ou IBM dans ses machines jusqu'à la dernière évolution à l'heure actuelle : le PowerPC 970. En 2004, Motorola s'est séparé de sa division semi-conducteur et en a fait une entreprise indépendante : Freescale. Lien vers la page d'accueil de Clubic. Depuis début 2006, Apple utilise des processeurs Intel, sans que l'on sache si les futurs ordinateurs d'Apple partageront une architecture matérielle commune avec les compatibles IBM PC.

Beaucoup de calculatrices graphiques (TI-89, etc.) et de téléphones portables (toutes marques confondues) sont basés sur des processeurs de la famille m68k.

Les parties essentielles d'un processeur sont :

  • L'Unité Arithmétique et Logique (UAL, en anglais Aritmetic and Logical Unit - ALU), qui prend en charge les calculs arithmétiques élémentaires et les tests.
  • L'unité de contrôle.
  • Les registres, qui sont des mémoires de petite taille (quelques octets), suffisamment rapides pour que l'UAL puisse manipuler leur contenu à chaque cycle de l'horloge. Un certains nombre de registres sont communs à la plupart des processeurs :
o Compteur d'instructions : Ce registre contient l'adresse mémoire de l'instruction en cours d'exécution.
o Accumulateur : Ce registre est utilisé pour stocker les données en cours de traitement par l'UAL.
o Registre d'adresses : Il contient toujours l'adresse de la prochaine information à lire par l'UAL, soit la suite de l'instruction en cours, soit la prochaine instruction.
o Registre d'instructions : Il contient l'instruction en cours de traitement.
o Registre d'état : Il sert à stocker le contexte du processeur, ce qui veut dire que les différents bits de ce registre sont des drapeaux (flags) servant à stocker des informations concernant le résultat de la dernière instruction exécutée.
o Pointeurs de pile : Ce type de registre, dont le nombre varie en fonction du type de processeur, contient l'adresse du sommet de la pile (ou des piles). Lien vers la page d'accueil de Clubic
o Registres généraux : Ces registres sont disponibles pour les calculs.
  • Le séquenceur, qui permet de synchroniser les différents éléments du processeur. En particulier, il initialise les registres lors du démarrage de la machine et il gère les interruptions.
  • L'horloge qui synchronise toutes les actions de l'unité centrale Elle est présente dans les processeurs synchrones, et absente des processeurs asynchrones et des processeurs autosynchrones
  • L'unité d'entrée-sortie, qui prend en charge la communication avec la mémoire de l'ordinateur ou la transmission des ordres destinés à piloter ses processeurs spécialisés, permettant au processeur d'accéder aux périphériques de l'ordinateur.

Les processeurs actuels intègrent également des éléments plus complexes :

  • Plusieurs UAL, ce qui permet de traiter plusieurs instructions en même temps. L'architecture superscalaire, en particulier, permet de disposer des UAL en parallèle, chaque UAL pouvant exécuter une instruction indépendamment de l'autre.
  • L'architecture superpipeline permet de découper temporellement les traitements à effectuer. C'est une technique qui vient du monde des supercalculateurs. Lien vers la page d'accueil de Clubic
  • Une unité de prédiction de saut, qui permet au processeur d'anticiper un saut dans le déroulement d'un programme, permettant d'éviter d'attendre la valeur définitive d'adresse du saut. Cela permet de mieux remplir le pipeline.
  • Une unité de calcul en virgule flottante (en anglais Floating Point Unit - FPU), qui permet d'accélérer les calculs sur des nombres réels codés en virgule flottante.
  • La mémoire cache, qui permet d'accélérer les traitements, en diminuant les accès à la RAM. Ces mémoires tampons sont en effet beaucoup plus rapides que la RAM et ralentissent moins le CPU. Le cache instructions reçoit les prochaines instructions à exécuter, le cache données manipule les données. Surprise sous ce lien. Parfois, un seul cache unifié est utilisé pour le code et les données. Plusieurs niveaux de caches peuvent coexister, on les désigne souvent sous les noms de L1, L2 ou L3. Dans les microprocesseurs évolués, des unités spéciales du processeur sont dévolues à la recherche, par des moyens statistiques et/ou prédictifs, des prochains accès en mémoire centrale.

Les instructions (parfois décomposées en micro instructions) données au processeur sont exprimées en binaire (code machine). Elles sont généralement stockées dans la mémoire. Elles sont lues et l'UAL les interprète. L'ensemble de ces instructions constitue un programme.

Le langage le plus proche du code machine tout en restant lisible par des humains est le langage d'assemblage, aussi appelé langage assembleur (forme francisée du mot anglais « assembler »). Toutefois, l'informatique a développé toute une série de langages, dits de haut niveau (comme le BASIC, Pascal, C, C++, Fortran, etc), destinés à simplifier l'écriture des programmes.

Un processeur est défini par :

  • La largeur de ses registres internes de manipulation de données (8, 16, 32, 64, 128) bits.
  • Par la cadence de son horloge exprimée en MHz (mega hertz) ou GHz (giga hertz).
  • Son jeu d'instructions (ISA en anglais, Instructions Set Architecture) dépendant de la famille (CISC, RISC, etc)
  • Sa finesse de gravure exprimée en nm (nanomètres) et sa microarchitecture interne.

Mais ce qui caractérise principalement un processeur est la famille à laquelle, il appartient :

  • CISC (Complex Instruction Set Computer : choix d'instructions aussi proches que possible d'un langage de haut niveau).
  • RISC ( Reduce Instruction Set Computer : choix d'instructions plus simples et d'une structure permettant une exécution très rapide).
  • VLIW (Very Long Instruction Word)
  • DSP (Digital Signal Processor). Même si cette dernière famille (DSP) est relativement spécifique. En effet un processeur est un composant programmable et est donc a priori capable de réaliser tout type de programme. Toutefois, dans un souci d'optimisation, des processeurs spécialisés sont conçus et adaptés à certains types de calculs (3D, son, ...). Les DSP sont des processeurs orientés pour les calculs liés au traitement de signaux. Par exemple, il n'est pas rare de voir implémenter des Transformées de Fourier dans un DSP.

Un processeur possède trois type de bus:

  • Un bus de données, définit la taille des données manipulable (indépendamment de la taille des registres internes)
  • Un bus d'adresse définit le nombre de case mémoire accessibles
  • Un bus de commande définit la gestion du processeur IRQ, RESET etc.

Overclocking

ou comment augmenter la fréquence de son processeur

L'overclocking aussi noté o/c est une méthode qui consiste à augmenter la fréquence du processeur ou la réactivité et/ou la fréquence de la mémoire vive. C'est une manipulation périlleuse qui n'est pas accessible ni aux novices, ni à quelqu'un qui ne s'y "connaît qu'un peu". Il faut savoir que le processeur est paramétré par le constructeur à une fréquence qui ne risque pas d'endommager le matériel. En cas d'une mauvaise manipulation, il peut se passer toute sorte d'accident : de l'écran qui s'éteint et lorsqu'on redémarre on peut tout remettre à zéro jusqu'aux courts circuits qui fait imploser ou exploser le PC et s'il est placé sur un tapis qui provoque un incendie... Cette manipulation est donc TRES dangereuse.

Lorsque le matériel le permet, on peut overclocker à partir de son système d'exploitation (Windows après le démarrage ou Linux...) ou dès la mise sous tension de la machine dans le BIOS par lequel on peut accéder en appuyant généralement sur la touche Suppr, F1, F2 ou encore F8.

  • Par le système d'exploitation: Pour overclocker par le S.E., il faut être en possession d'un logiciel d'overclocking.
  • Par le bios: La méthode d'o/c par le bios est longue et fastidieuse car il faut augmenter la fréquence du processeur peu à peu (par exemple, de 10MHz en 10MHz) et à chaque augmentation, il faut démarrer normalement et effectuer une série de tests avec des logiciels qui éprouvent le processeur comme OCCT, SuperPi, Prime 95 et le must: 3DMark latest year version. Il faut parfois, selon le degré d'overclocking, également augmenter la tension éléctrique (souvent dite voltage), régler les timings et voltage de la RAM... Divers articles sur internet vous expliqueront comment procéder en détails. Note: dans certaines Cartes mères, le bios possède des paramètres préenregistrés pour overclocker votre cpu.

Il est à noter que les processeurs de Cartes Graphiques sont de plus en plus souvent overclockées.

Il y a également, pour compenser le surplus de dégagement thermique, besoin d'un matériel de refroidissement qui devient de plus en plus populaire. (Refroidissement par air amélioré : avec présence de nombreux d'heatpipes et d'un radiateur de très grande taille, voir même l'utilisation de système dit : "watercooling"). Lien vers la page d'accueil de Clubic.

Multiprocesseur

Les architectures multiprocesseurs permettent à une machine d'utiliser de façon concurrente, plusieurs processeurs qui fonctionnent en parallèle. On peut ainsi partager les tâches et obtenir une puissance de calcul plus importante qu'avec un seul processeur. Il existe deux types d'architecture multi-processeurs :

  • l'architecture symétrique, en anglais Symmetric multiprocessing (SMP), qui utilise plusieurs processeurs identiques afin d'augmenter la puissance de calcul brute de la machine ;
  • l'architecture asymétrique, en anglais Asymmetric multiprocessing (AMP), qui adjoint au processeur central des processeurs souvent spécialisés, tels qu'on en trouve dans tous les ordinateurs modernes, par exemple pour contrôler les périphériques ou traiter des images ou des sons, ainsi que dans de nombreux appareils grand public tels que les téléviseurs haut de gamme..........

Quand vous lirez ce texte, il sera certainement déja trop tard ;-)
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