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Auteur(s)
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René J. CHEVANCE : Ingénieur du Conservatoire National des Arts et Métiers - Docteur ès Sciences - Conseiller Technologie et Partenariats Bull - Professeur associé au CNAM
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L’objectif de cet article est de donner une synthèse des éléments les plus importants en matière d’architecture des microprocesseurs. Si les ressources limitées de la technologie des microprocesseurs avaient conduit les concepteurs des premiers microprocesseurs à en limiter le niveau de fonctionnalité, les progrès de cette même technologie font que la progression en matière d’architecture de système a été bien plus importante au niveau des microprocesseurs que de toute autre implémentation des architectures. Ainsi, les microprocesseurs de haut de gamme actuels mettent en œuvre des techniques d’amélioration des performances qui avaient été introduites dans les super-ordinateurs des années 1960 (caches, pipeline, unités fonctionnelles multiples, exécution spéculative...).
Il convient aussi de souligner que les architectures de mainframes et de mini-ordinateurs ont été implémentées sous forme de microprocesseurs dans le but de réduire les coûts de fabrication de ces systèmes. Toutefois, les implémentations des architectures « propriétaires » sous forme de microprocesseur ne se sont pas traduites par une ouverture de ces architectures (nouvelles applications, élargissement de la base de clientèle...).
Cette introduction à l’architecture des microprocesseurs ne fait pas seulement référence aux seuls microprocesseurs, mais place ceux-ci dans le contexte plus général de l’évolution de l’architecture des processeurs.
Il convient de rappeler que la quasi-totalité des techniques d’amélioration de la performance utilisées dans les microprocesseurs ont été initialement introduites dans les machines de haut de gamme ! Cette simple remarque pour nous rappeler « qu’il n’a pas que du nouveau sous le soleil », mais que les progrès de la technologie rendent maintenant des techniques, autrefois réservées à des systèmes très coûteux, applicables à des objets s’approchant de la grande diffusion.
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Techniques d’amélioration de la performance1. Architecture des microprocesseurs
1.1 Adressage
La définition de l’adressage est l’une des tâches les plus délicates auxquelles le concepteur de nouvelles architectures est confronté. En effet, les progrès de la technologie (en particulier la capacité des puces mémoire et la puissance de traitement des microprocesseurs) d’une part et l’évolution des besoins des applications d’autre part font que toute conception se heurte tôt ou tard aux limites que l’on a initialement imposées à la définition de l’adressage.
Ces difficultés firent tenir à Gordon Bell, l’un des concepteurs de l’architecture VAX de DEC, un propos resté célèbre [5] :
There is only one mistake that can be made in computer design that is difficult to recover from not having enough address bits for memory addressing and memory management.
The PDP-11 followed the unbroken tradition of nearly every known computer.
Pour souligner ce propos, on peut rappeler que la première architecture supportant 64 bits d’adresse virtuelle fût, en 1978 l’IBM System/38 [19] [34].
En ce qui concerne les microprocesseurs, leur capacité d’adressage est passée, en vingt-cinq ans, de 210 octets (Intel 4 004) à 264 octets (Alpha, MIPS, PA, PowerPC, SPARC qui seront suivis par IA-64 en 1999).
Au début des années 1980, l’évolution des microprocesseurs de l’architecture 16 bits vers les architectures 32 bits s’est naturellement accompagnée du support d’adresses virtuelles de 32 bits.
Il y a deux moteurs essentiels à cette croissance des capacités d’adressage, ce sont les besoins des applications pour la manipulation de grands objets (bases de données, images, tableaux...) ainsi que les capacités sans cesse croissantes des puces mémoire. Il convient toutefois de remarquer que certains logiciels évoluent lentement, ainsi beaucoup de PC exécutent encore des programmes correspondant à l’architecture 16 bits.
En ce qui concerne les mémoires, la capacité des puces mémoire double tous les 18 mois mais, comme on le verra au paragraphe 1.4, leur temps d’accès ne diminue que très lentement. Par ailleurs, la capacité des disques magnétiques évolue aussi fortement mais leur temps d’accès (c’est-à-dire temps de positionnement du bras sur la piste, délai...
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