Invention et évolution du microprocesseur

Inventé par un duo d’ingénieurs appartenant à la société Intel, Marcian Hoff et Federico Faggin, le microprocesseur révolutionne à son arrivée en 1971 le monde de l’informatique, car il devient alors possible que les différents composants électroniques d’un processeur tiennent sur un seul et même circuit intégré, ce qui n’était évidemment pas le cas avant les années 1970. Son apparition a engendré de nombreuses avancées, comme l’augmentation de la vitesse de fonctionnement (les distances entre les composants étant réduites), l’augmentation de la fiabilité (moins de risques de perte de connexions entre les composants), la réduction de la consommation énergétique, mais surtout le développement d’ordinateurs beaucoup moins grands : les micro-ordinateurs.

Les caractéristiques d’un microprocesseur

Un microprocesseur se caractérise aujourd’hui par différentes fonctions. La première est le jeu d’instructions qu’il est capable d’exécuter, pouvant aller de dizaines à des milliers d’instructions différentes. La deuxième est la complexité de son architecture qui se mesure par le nombre de transistors présents : plus ce nombre est élevé, plus la complexité des tâches à traiter peut augmenter. La troisième est la vitesse de son horloge qui dicte le rythme de travail.

Enfin, le microprocesseur se caractérise par le nombre de bits qu’il peut traiter (4 à ses débuts, 128 en 2011). À sa création, il était capable d’effectuer un peu moins d’un million d’instructions par seconde. Aujourd’hui, il en traite plus de 10 milliards.

Un microprocesseur, c’est quoi ? 

Le processeur présent dans un dispositif électronique permet d’interpréter et d’exécuter les différents programmes. Un microprocesseur, c’est tout simplement un processeur assez petit pour tenir sur un circuit intégré. L’invention du microprocesseur en 1971 par 2 ingénieurs d’Intel, Marcian Hoff et Federico Faggin, a révolutionné l’histoire de l’électronique.

Les ordinateurs sont devenus plus rapides, plus petits, plus fiables, moins chers et moins gourmands en énergie. Au début des années 2000 sont apparus les microprocesseurs multi-cœurs: un seul microprocesseur possède plusieurs CPU (Central Processing Unit, soit unité centrale de traitement) qui peuvent fonctionner de manière indépendante, permettant de meilleures performances tout en évitant les surchauffes.

S’exprimant en MIPS qui signifie millions d’instructions par seconde, la puissance d’un microprocesseur est définie par:

• son jeu d’instructions, c’est-à-dire l’ensemble des instructions qu’il peut effectuer;
• le nombre de transistors qu’il possède (plusieurs milliards aujourd’hui);
• le nombre de bits qu’il peut traiter en même temps (64bits dans les microprocesseurs contemporains);
• sa fréquence d’horloge exprimée en hertz, qui rythme le travail du microprocesseur.

Un microprocesseur ne fait que quelques nanomètres. Il est disposé sur une puce électronique appelée die, entre un IHS (Integrated Heat Speader) qui protège la puce et une carte de circuit imprimé qui relie la puce à la carte-mère.

Un microprocesseur, comment ça marche ? 

La structure d’un microprocesseur

Un microprocesseur comprend:

•  une unité d’instruction (appelée aussi unité de contrôle) ;
• une unité d’exécution (ou de calcul) dans laquelle on trouve par exemple l’unité arithmétique et logique (UAL) et l’unité multimédia;
• une unité de gestion des bus qui gère notamment le déplacement des données;
• de la mémoire cache où sont temporairement stockées des données.

On trouve aussi sur chaque unité différents registres, comme le registre indicateur d’état et le compteur de programme, qui sont de petites zones de mémoire aux utilisations spécifiques.

Les étapes de fonctionnement d’un microprocesseur

D’une très grande complexité, le fonctionnement d’un microprocesseur peut être grossièrement résumé en quelques étapes. Lorsqu’un microprocesseur reçoit un programme (un ensemble d’instructions) à effectuer, il le met en mémoire cache. L’unité de contrôle le lit et cherche où se trouvent toutes les instructions nécessaires à son exécution.

Elle les charge ensuite dans le registre d’instructions puis les décode en langage binaire. L’unité d’exécution effectue les instructions. Le microprocesseur copie finalement les actions effectuées et leurs résultats sur la mémoire principale de l’ordinateur.

 La fréquence d’horloge

Un microprocesseur travaille au rythme d’une horloge interne (un cristal de quartz) qui tourne à un certain nombre d’impulsions par seconde, appelé la fréquence d’horloge. À chaque impulsion, ou cycle, il effectue une opération.

Une instruction peut nécessiter plusieurs cycles, mais différentes étapes de plusieurs instructions peuvent être effectuées pendant un même cycle. Un microprocesseur cadencé à une fréquence d’horloge de 1Ghz possède un cycle d’une nanoseconde.

À quoi sert un microprocesseur ? 

Le microprocesseur est en quelque sorte le cerveau d’un ordinateur. Il peut potentiellement tout faire, selon son jeu d’instructions et ses capacités: effectuer des calculs mathématiques, déplacer des données, prendre des décisions.
Les microprocesseurs ne sont pas seulement présents dans les ordinateurs, mais dans tous les dispositifs électroniques: téléviseurs, voitures, appareils photo numériques, jouets, micro-ondes, etc.

Par FUTURA