Publié le 10 juin 2024
Contributeurs : Josh Schneider, Ian Smalley
Un microprocesseur est le type de processeur prédominant dans l’informatique moderne. Il combine les composants et la fonction d’une unité centrale de traitement (CPU) en un seul circuit intégré (IC) ou un petit nombre de CI connectés.
Comme les processeurs, les microprocesseurs sont généralement considérés comme le « cerveau » de l’ordinateur. Contrairement aux processeurs classiques, les microprocesseurs intègrent les circuits arithmétiques, logiques et de contrôle des CPU plus anciens dans un seul circuit numérique polyvalent, piloté par une horloge et basé sur des registres.
Bien que les termes processeur et microprocesseur soient souvent utilisés de manière interchangeable, un microprocesseur est essentiellement un CPU tout-en-un sur une puce unique. Cette conception à puce unique réduit le nombre de connexions électriques vulnérables, améliorant ainsi la fiabilité en réduisant les points de défaillance potentiels. C’est pourquoi les microprocesseurs ont presque entièrement remplacé les processeurs multicomposants traditionnels.
Avant les microprocesseurs, les ordinateurs utilisaient des racks de circuits intégrés pour accomplir les principales fonctions informatiques d’un ordinateur. En 1971, un changement majeur s’est produit dans la technologie informatique avec l’introduction de l’Intel 4004, le premier microprocesseur à avoir été commercialisé. Ce dispositif révolutionnaire, conçu par Federico Faggin, n’était pas seulement une réponse à la demande du fabricant de produits électroniques japonais Busicom de concevoir 12 micropuces personnalisées pour sa gamme de calculatrices. Ce fut un moment historique qui a révolutionné la façon dont nous concevons l’informatique, car Intel, au lieu de produire 12 puces individuelles, a créé un dispositif logique à usage général.
Sous-performante par rapport aux standards actuels, l’architecture Intel 4004 fonctionnait à une vitesse d’horloge de 740 kHz et ne pouvait traiter que des flux de données d’un débit maximal de 4 bits, également appelé un « nibble ». Bien que le 4004 soit moins performant que les microprocesseurs modernes de 8 à 64 bits, il est unanimement considéré comme une avancée révolutionnaire dans le domaine des circuits. Comme prédit par la loi de Moore, le développement rapide de la technologie des semi-conducteurs a conduit à des améliorations majeures de la puissance de traitement. Produits par des fabricants de premier plan comme Intel et Pentium et utilisés par toutes les grandes entreprises technologiques (IBM, Microsoft, Apple entre autres), les microprocesseurs alimentent des milliers de systèmes et d’applications, des télécommandes de télévision à la Station spatiale internationale.
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Les microprocesseurs modernes combinent des millions de petits transistors, résistances et diodes assemblés sur un matériel semi-conducteur pour créer les composants essentiels d’un processeur. Ces composants sont organisés en différents types d’architecture informatique particuliers pour effectuer des calculs et exécuter des instructions. Les fonctions d’un microprocesseur standard peuvent être décomposées en quatre étapes principales.
- Récupération : le microprocesseur récupère (« fetches ») les instructions de la mémoire de l’ordinateur. Le processus de récupération peut être lancé par une entrée automatique ou manuelle.
- Décodage : le microprocesseur « décode » les instructions, interprétant essentiellement l’entrée ou la commande dans une requête et lançant un processus ou un calcul spécifique.
- Exécution : en bref, le microprocesseur effectue l’opération requise ou demandée.
- Stockage : le résultat de l’exécution est enregistré dans la mémoire de l’ordinateur.
Les microprocesseurs exécutent ces processus en rassemblant dans un seul circuit les principaux composants d’un processeur, qui sont les suivants :
- Unité logique arithmétique (ALU) : unité logique principale du CPU, ce composant effectue des opérations logiques, y compris des calculs mathématiques et des comparaisons de données.
- Unité de contrôle (CU) : le circuit CU interprète les instructions et lance leur exécution, dirigeant les opérations de base du processeur.
- Registres : les registres fournissent un petit stockage rapide en mémoire qui permet au CPU de stocker temporairement les données et les instructions pendant les processus de calcul.
- Mémoire cache : les microprocesseurs et les CPU utilisent la mémoire cache, une forme de mémoire à grande vitesse située à proximité du processeur et destinée à stocker les données fréquemment consultées afin d’accélérer les performances.
- Bus et interfaces de bus : les interfaces de bus fournissent des points d’entrée et de sortie permettant aux données de circuler sur différents groupes de liaisons (appelées bus), tels que le bus d’adresses ou le bus de données. Les bus et les interfaces connectent physiquement les différents composants internes, permettant et facilitant la communication au sein du processeur et d’autres périphériques comme les unités d’entrée/sortie (E/S).
- Transistors : l’un des principaux éléments constitutifs des circuits intégrés, les transistors sont de petits semi-conducteurs qui régulent, amplifient et génèrent des courants et des signaux électriques. Ils peuvent également agir comme de simples commutateurs ou être combinés pour former des portes logiques. Le nombre de transistors est un indicateur courant de la puissance du microprocesseur.
- Cœurs de processeur : les unités de traitement individuelles au sein des microprocesseurs sont appelées cœurs. Les processeurs modernes intègrent fréquemment plusieurs cœurs (double cœur, quatre cœurs), ce qui permet un traitement parallèle en effectuant plusieurs tâches simultanément.
- Horloge : bien que tous les microprocesseurs ne contiennent pas d’horloge interne, ils sont tous pilotés par horloge. Certains s’appuient sur des puces d’horloge externes, connues pour améliorer la précision. Qu’il soit interne ou externe, le cycle d’horloge d’un microprocesseur détermine la fréquence à laquelle il exécutera les commandes. Les vitesses d’horloge modernes sont mesurées en mégahertz (MHz) et en gigahertz (GHz).
L’architecture d’un microprocesseur fait référence aux diverses méthodologies de conception et d’organisation des différents composants du processeur. Voici les principaux éléments de l’architecture d’un microprocesseur :
- Architecture d’ensemble d’instructions (ISA) : l’ISA du microprocesseur définit l’ensemble d’instructions que le processeur peut exécuter. Les ISA, telles que les architectures RISC (Reduced Instruction Set Computer) et CISC (Complex Instruction Set Computer), offrent diverses méthodes de traitement de données avec différents niveaux de performance, de fiabilité et de vitesse adaptés à différents types d’applications.
- Chemin d’accès aux données : le chemin d’accès aux données d’un microprocesseur détermine l’ordre dans lequel les données transitent par les composants du microprocesseur (bus, ALU, registres), ce qui influence les performances globales.
- Chemin de contrôle : tout comme le chemin d’accès aux données, l’élément de chemin de contrôle de l’architecture d’un microprocesseur indique la séquence des opérations et gère la transmission des données dans le CPU.
- Hiérarchie de la mémoire : la hiérarchie de la mémoire est un composant critique de l’architecture du processeur, qui fournit une structure pour différents niveaux de mémoire (cache, registres, RAM) afin d’optimiser l’accès aux données et la vitesse de récupération.
Les microprocesseurs varient en termes de puissance, de performances, de méthodologies d’architecture, de taille, de consommation d’énergie et de nombreuses autres variables, et sont conçus pour toutes sortes d’applications. Les microprocesseurs à usage général sont principalement utilisés dans les ordinateurs personnels et les appareils mobiles, tandis que les unités spécialisées haute performance telles que les processeurs de signaux numériques (DSP) sont conçues pour des tâches exigeantes telles que le traitement de l’audio, de la parole, de la vidéo et de l’image.
Voici quelques-uns des principaux types de microprocesseurs.
Ces microprocesseurs polyvalents se retrouvent dans un large éventail d’applications et d’appareils courants, tels que les ordinateurs portables et les serveurs.
S’il est plus exact de dire que les microcontrôleurs contiennent des microprocesseurs, ces types de puces comportent également tous les composants supplémentaires nécessaires à un ordinateur fonctionnel, à savoir la mémoire intégrée. Les microcontrôleurs fonctionnent comme des micro-ordinateurs et sont préférés pour contrôler des éléments spécifiques des systèmes informatiques intégrés. Les microcontrôleurs de petite taille et de faible puissance n’ont pas besoin de systèmes d’exploitation complexes pour fonctionner et sont couramment utilisés dans l’industrie automobile pour optimiser les unités de contrôle du moteur (ECU), les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS) et les unités d’infotainment, ainsi qu’une vaste gamme d’appareils électroniques grand public et même l’automatisation industrielle.
Les DSP sont spécialisés dans les calculs numériques haut débit et sont souvent utilisés pour des tâches exigeantes comme le traitement du son, les télécommunications et le traitement de l’image. Ils peuvent également être utilisés dans des applications nécessitant l’interprétation de signaux analogiques en signaux numériques, comme les capteurs météorologiques. Les DSP sont couramment utilisés dans des applications militaires, telles que les drones de surveillance et autres aéronefs autonomes.
Les microprocesseurs ASIC sont conçus pour des tâches spécifiques et sont personnalisés pour répondre aux exigences particulières de diverses applications. Certains types de microprocesseurs ASIC incluent des puces personnalisées pour les consoles de jeux ou le minage de cryptomonnaies. Les DSP, les GPU et d’autres types de microprocesseurs spécialisés sont aussi des ASIC sur le plan technique.
Les microprocesseurs GPU sont spécialement conçus pour les tâches exigeantes de rendu des vidéos numériques et des graphiques nécessitant des performances élevées et un traitement parallèle. Cruciales pour les jeux haut de gamme, les puissants microprocesseurs GPU sont également couramment utilisés dans le minage de cryptomonnaies et sont connus pour leur consommation énergétique élevée.
Il s’agit d’un type de microprocesseur ASIC spécifiquement optimisé pour traiter les paquets de données réseau les plus fréquemment utilisés dans les commutateurs de télécommunications, les routeurs et les dispositifs de sécurité réseau.
Les coprocesseurs, tels que les unités de calcul en virgule flottante (FPU), sont conçus pour fournir un support auxiliaire au processeur principal d’un système afin d’améliorer les performances lors de certaines tâches exigeantes, telles que l’exécution de calculs scientifiques avancés ou de formules mathématiques complexes.
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Une unité centrale de traitement (CPU) est le principal composant fonctionnel d’un ordinateur. Le CPU est un assemblage de circuits électroniques qui exécutent le système d’exploitation et les applications d’un ordinateur et gèrent une variété d’autres opérations informatiques.
Le stockage des données fait référence aux supports magnétiques, optiques ou mécaniques qui enregistrent et conservent des informations numériques pour des opérations en cours ou futures.
Une unité de microcontrôleur (MCU) est essentiellement un petit ordinateur sur une puce unique. Elle est conçue pour gérer des tâches spécifiques au sein d’un système embarqué sans nécessiter de système d’exploitation complexe.
Un réseau de portes programmables in situ (FPGA) est un type polyvalent de circuit intégré conçu pour être programmable au niveau matériel afin de répondre à différents besoins tels que l’informatique haute performance (HPC) et le prototypage.
Les réseaux de portes programmables in situ (FPGA) et les unités de microcontrôleur (MCU) sont deux types de circuits intégrés (CI) couramment utilisés dans les systèmes embarqués et la conception numérique. Les FPGA et les microcontrôleurs peuvent être considérés comme des « petits ordinateurs » qui peuvent être intégrés dans des appareils et des systèmes plus grands.
Un processeur graphique, également dénommé unité de traitement graphique (GPU), est un circuit électronique conçu pour accélérer le traitement graphique et d’images sur divers appareils, y compris les cartes vidéo, les cartes système, les téléphones mobiles et les ordinateurs personnels (PC).