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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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Lire l’articleINTRODUCTION
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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Architecture des microprocesseurs2. Techniques d’amélioration de la performance
Cet article concerne les techniques d’amélioration de la performance que l’on peut mettre en jeu au niveau des microprocesseurs.
La performance d’un processeur est définie sous la forme suivante :
Dans le cas des architectures classiques CISC et RISC, l’implémentation de l’architecture influe essentiellement sur les termes cycle/instruction et temps/cycle.
Il convient de noter qu’une approche telle que celle proposée par Intel et HP avec EPIC (Explicit Parallel Instruction Computing ) permet d’influer ces termes puisque le parallélisme détecté par les compilateurs au niveau des programmes sera communiqué au microprocesseur et que celui-ci n’aura pas à procéder — lors de l’exécution du programme — à une recherche dynamique du parallélisme au sein d’une séquence d’instructions et ensuite à sa mise en œuvre. Une telle recherche de parallélisme et sa mise en œuvre sont coûteuses en temps. EPIC apporte là une simplification qui devrait avoir un impact direct sur les performances.
Les choix des architectes pour la définition de nouvelles architectures, ou pour l’implémentation des architectures existantes, ont les différents facteurs qui contribuent aux termes de cette équation pour toile de fond. L’enjeu est d’obtenir le meilleur compromis entre la performance, le coût et la date à laquelle le nouveau microprocesseur est disponible sur le marché.
Les sources majeures de perte de performance au niveau d’un microprocesseur se trouvent dans :
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les dépendances au niveau des données : l’exécution d’une instruction nécessite une donnée en cours de chargement ou bien dont le calcul n’est pas achevé ;
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les branchements ;
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les attentes engendrées par les interactions avec la hiérarchie de mémoire : cache de niveau 2 et mémoire principale ;
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le parallélisme au niveau des séquences d’instructions.
Nous allons examiner les différentes techniques qui sont mises en œuvre au niveau des implémentations des architectures pour améliorer la performance.
Le lecteur intéressé par la description de la mise en œuvre de ces différentes techniques dans les implémentations des différentes architectures...
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