Central processing unit

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La Central Processing Unit (CPU, en français Unité Principale de Traitement ou processeur) est le composant essentiel d'un ordinateur, où sont effectués les principaux calculs.

Il ne s'agit pas nécessairement d'un circuit isolé, même si les progrés 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 Central Processing Unit, CPU, processeur et microprocesseur est souvent abandonnée au profit d'une banalisation de ces termes.

Table of contents

1 Principe de fonctionnement

1.1 Structure
1.2 Langage
1.3 Caractéristiques

2 Multi-processeur
3 Voir aussi

3.4 Articles connexes

Principe de fonctionnement

Le CPU est l'unitée de traitement de données principale d'un ordinateur, ce qui veut dire qu'il va exécuter les programmes, ce qui peut inclure de déléguer une partie du traitement à d'autres processeurs périphériques, grâce à des instructions d'entrée-sortie. En plus de sa capacité de traitement, il a donc également une fonction de contrôle et de coordination de l'action de l'ensemble des composants d'un ordinateur. Son mode de fonctionnement, par exemple son langage, est défini par un micro-code embarqué au sein du processeur. Un programme est un ensemble d'instruction situé dans la mémoire centrale de l'ordinateur, que le processeur va lire puis exécuter séquentiellement, à moins d'un saut dans le programme. Le temps d'exécution propre à chaque instruction, est exprimé en cycles de l'horloge interne qui cadence l'activité du processeur.

Structure

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), suffisament rapides pour que UAL puisse manipuler leur contenu en temps réel. Un certains nombre de registres sont communs à la plupart des processeurs :
- Pointeurs de pile : Ce type de registre, dont le nombre varie en fonction du type de processeur, contient l'adresse du somment de la pile (ou des piles).
- 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'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 pipeline, c'est-à-dire en ligne, chaque UAL traitant une partie d'une instruction.
Une unité de prédiction de saut, qui perment au processeur d'anticiper un saut dans le déroulement d'un programe, permettant d'optimiser l'utilisation de la mémoire cache.
Une unité de calcul réel (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 la CPU.

Langage

Les 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 instruction 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 destinés à simplifier l'écriture des programmes.

Caractéristiques

Un processeur est caractérisé par la cadence de son horloge exprimée en MHz (mégahertz) et la taille de ses registres (8, 16, 32, 64 bits).

Multi-processeur

Les architectures multi-processeurs 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 - SMP), qui utilise plusieurs processeurs identiques afin d'augmenter la puissance de calcul brute de la machine.
L'architecture asymétrique (en anglais Asymetric Multi-Processing - 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 les images et les sons.