Caractéristiques et fonctionnement des processeurs d’un ordinateur

Le processeur de l’ordinateur est la puce électronique l la plus importante qui permet de faire fonctionner votre PC.
Il existe beaucoup de type de processeur et il est parfois difficile de s’y retrouver.
De plus, souvent des fonctions de calculs sont proposés et là aussi, on est très vite perdu.

Cet article vous donne les grandes lignes sur le fonctionnement du processeur d’un ordinateur.

Caractéristiques et fonctionnement des processeurs d'un ordinateur

Fonctionnement des processeurs d’un ordinateur

Le fonctionnement processeur

Le processeur est une puce de calcul importante de l’ordinateur qui en fait un point central.
Ce dernier va effectuer les calculs nécessaires pour que votre système d’exploitation et applications puissent fonctionner.
D’un point de vue fonctionnel, le processeur effectue des calculs dont les données sont stockées dans la mémoire RAM.
Des allés venus se font entre ces deux composants pour que les logiciels puissent fonctionner.
Plus les échanges sont rapides, plus le processeur va pouvoir effectuer de calcul.

Caractéristiques et fonctionnement des processeurs d'un ordinateur
fonctionnement d’un ordinateur – source http://www.sio-savary.fr/ktroccaz/

Notre article suivant d’écrit mieux le fonctionnement d’un ordinateur et le rôle du processeur d’un ordinateur : Composants et fonctionnement d’un ordinateur

Intel et AMD

Actuellement sur les PC, il existe deux constructeurs de processeurs principaux : AMD et Intel.
Chacun à ses propres gammes de processeurs et technologies associées qui sont liés à des appellations et générations.

Par exemple, chez  Intel on trouve des processeurs

  • Processeurs Intel Pentium Gold et Silver : Processeurs entrée de gammes.
  • Core m3 : Processeurs très basses consommations d’énergies pour ordinateur de type netbook
  • i-3 : milieu de gammes et plutôt à destination des ordinateurs portables car conçu pour l’économie d’énergie.
  • i-5 : PC personnel pour ordinateur de milieu et hauts de gammes
  • i-7 : génération haut de gammes, vous pouvez jouer avec ce type de processeur
  • i-9 : sortie en 2017, c’est le très haut de gamme.

Chaque génération a ensuite ses sous-catégories, par exemple i-9 est décline en i-9 core et i-9 Core Série X.
C’est le même mécanisme que pour les cartes graphiques.

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Du côté de chez AMD, on trouve la génération Ryzen avec un numéro de version et des modèles de type 1300X à 1950.
Par exemple Ryzen 7 1800X.
Plus le chiffre est élevée plus le processeur est haut de gammes.

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Le jeu d’instruction

Enfin un processeur est caractérisé par son jeu d’instruction (addition, multiplications) mais aussi la manière dont les données sont stockées en mémoire.
On distingue notamment les jeux d’instructions 32-bits et 64-bits.
On trouve différents type de jeux d’instructions comme :

  • x86 qui sont les processeurs compatibles Intel 8086. On distingue x86-32 et x86-64 selon si architectures 32-bits et 64-bits.
  • AMD64
  • PowerPC
  • SPARC
  • ARM

Les logiciels et applications doivent être compilés pour fonctionner sur ce type d’instructions et ne peuvent donc fonctionner que pour ce type de processeur.
Cela inclut aussi le système d’exploitation qui fonctionne avec un jeu d’instructions de processeur en particulier.

Les composants du processeur

Le processeur est composé de plusieurs éléments distincts qui en font ses caractéristiques.
Parmi les plus importants on trouve :

  • L’horloge du processeur qui fournit un signal régulier pour synchroniser ce dernier. Cette fréquence est exprimée en GHz, par exemple on dit un processeur de 3 GHz qui correspond à 3 trois milliards d’opérations en une seconde. Plus cette fréquence sera élevée et plus le processeur pourra effectuer d’opération.
  • Les cores ou coeurs physiques : Il s’agit de mini-processeur qui peuvent effectuer des opérations de calculs en même temps. Le but est de diviser la file d’attente dans ces coeurs pour effecteur plusieurs opérations de calculs en même temps et donc multiplier la vitesse d’exécution.
  • La mémoire cache ou tampon qui sont des mémoires caches internes au processeur. Le but est d’être moins dépendant de la mémoire RAM afin d’éviter les échanges. Il existe plusieurs :
    • La mémoire cache de premier niveau (appelée L1 Cache, pour Level 1 Cache) est directement intégrée dans le processeur. Les caches du premier niveau sont très rapides d’accès. Leur délai d’accès tend à s’approcher de celui des registres internes aux processeurs. . Elle se subdivise en 2 parties :
      • La première est le cache d’instructions, qui contient les instructions issues de la mémoire vive décodées lors de passage dans les pipelines.
      • La seconde est le cache de données, qui contient des données issues de la mémoire vive et les données récemment utilisées lors des opérations du processeur.
    • La mémoire cache de second niveau (appelée L2 Cache, pour Level 2 Cache) est située au niveau du boîtier contenant le processeur (dans la puce). Le cache de second niveau vient s’intercaler entre le processeur avec son cache interne et la mémoire vive. Il est plus rapide d’accès que cette dernière mais moins rapide que le cache de premier niveau.
  • ALU (arithmetic logic unit) ou  UAL (l’unité de calcul arithmétique et logique) : c’est l’unité de calcul du processeur
  • Les registres ce sont des mémoires internes rapides qui stockent certains informations utiles comme les données traitées par l’UAL (l’unité de calcul arithmétique et logique), et le second donne l’adresse mémoire de l’instruction en cours d’exécution ou de la suivante (en fonction de l’architecture).
  • Unité de contrôle : rassemble les instructions en mémoire pour les envoyer à l’ALU, registres et autres composants.
  • Le séquenceur ou unité de contrôle qui gère les registres à utiliser, les interruptions, etc.
  • Processeur graphique intégré (IGP) : Processeur graphique intégré à la carte mère ou parfois au processeur. Il s’agit de processeur graphique peut puissant souvent à destination des ordinateurs portables. Parfois l’ordinateur peut avoir deux processeurs graphiques. Les aspects et explications sont données sur la page : Ordinateur portable avec deux cartes graphiques : Intel et AMD ou Nvidia

Voici la vue de l’intérieur d’un processeurs avec les coeurs (cores).

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Les technologies du processeur

Les constructeurs de processeurs ont leurs propres technologies pour améliorer la vitesse, apporter des fonctionnalités spécifiques ou améliorer la sécurité.
Certaines de ces fonctions peuvent être activées dans le BIOS de l’ordinateur.

Intel

  • Intel Turbo Boost : augmente en dynamique la fréquence du processeur selon les besoins, en tirant parti de la réserve thermique et électrique pour apporter un surplus de vitesse quand le besoin s’en fait sentir et une meilleure efficacité énergétique dans le cas contraire
  • Hyper-Threading : fournit deux unités d’exécution par cœur physique. Les applications multi-processus peuvent abattre plus de travail en parallèle et ainsi terminer plus rapidement les tâches.
  • Intel VT : La technologie de virtualisation Intel VT pour les E/S répartis (VT-d) prolonge la prise en charge existante de la technologie de virtualisation Intel VT pour IA-32 (VT-x) et Itanium (VT-i) en ajoutant une nouvelle prise en charge pour la virtualisation des périphériques d’E/S. La technologie de virtualisation Intel VT pour les E/S répartis peut aider les utilisateurs à améliorer la sécurité et la fiabilité de leurs systèmes, ainsi que les performances des périphériques d’E/S dans les environnements virtualisés.
  • Intel Transactional Synchronization Extensions New Instructions désignent un ensemble d’instructions axées sur l’échelonnage des performances multithread. Cette technologie permet d’améliorer l’efficacité des opérations parallèles grâce à un meilleur contrôle du verrouillage des logiciels.
  • Inte Stable Image Platform : peut aider votre entreprise à identifier et à déployer des plates-formes informatiques d’images stabilisées standardisées pendant une durée minimale de 15 mois.
  • Intel SpeedStep améliorée est un moyen sophistiqué de permettre des performances élevées tout en répondant aux besoins des systèmes mobiles en conservation de l’énergie. La technologie Intel SpeedStep classique permute ensemble la tension et la fréquence entre des niveaux élevés et faibles en fonction de la charge processeur. La technologie Intel SpeedStep améliorée s’appuie sur cette architecture et utilise des stratégies de conception telles que la séparation entre les changements de tension et de fréquence, et le partitionnement et la récupération d’horloge.
  • Intel Turbo Boost : La fréquence Turbo maxi correspond à la fréquence maximale à laquelle un cœur du processeur peut fonctionner en utilisant la technologie Intel Turbo Boost. La fréquence est mesurée en gigahertz (GHz) ou en milliards de cycles par seconde. »
  • Intel de protection de l’identité est un jeton de sécurité intégré qui fournit une méthode simple et inviolable pour protéger l’accès aux données en ligne relatives à votre entreprise et vos clients contre les menaces et la fraude. Cette technologie s’appuie sur le matériel pour identifier de manière unique le PC d’un utilisateur et prouver aux sites Web, institutions financières et services réseau que la tentative de connexion ne provient pas d’un logiciel malveillant. La technologie Intel de protection de l’identité peut être un composant clé des solutions d’authentification à deux facteurs pour protéger vos informations lors de la connexion à des sites Web et des réseaux d’entreprise.
  • Intel SGX (Intel Software Guard Extensions) fournit aux applications la capacité de créer une protection d’exécution fiabilisée matérielle pour les routines et données essentielles de leurs applications. L’exécution runtime est protégée contre l’observation ou la modification par tout autre logiciel (y compris les logiciels privilégiés) d’un système.
  • Intel Device Protection avec Boot Guard contribue à protéger l’environnement pré-SE du système contre les attaques de virus et de logiciels malveillants.
Les technologies du processeur

AMD

  • AMD GuardMI : La technologie AMD GuardMI assure une protection permanente, de la mise sous tension à la mise hors tension, grâce à un puissant coprocesseur de sécurité intégré dans chaque CPU AMD Ryzen™ PRO.
  • AMD Turbo Core équivalent de Intel Turbo Boost
  • AMD-V ou AMD SVM équivalent de Intel VT.
  • AMD SMT est l’équivalent de l’Hyper-Threading Intel.

Différence coeurs logiques et physiques

Un processeur n’est capable que d’effectuer une seule tâche à la fois en gérant une seule file d’attente (thread).
Pour accélérer le traitement des instructions, on tente alors de faire exécuter plusieurs instructions en parallèle grâce à des cœurs logiques et physiques.
Lorsqu’un processeur possède plusieurs coeurs, on parle de Processeur multi-coeurs (Multi-core processor).

Les coeurs physiques

Les coeurs physiques du processeur sont un découpages en plusieurs puces dans le processeur.
En effet, la file d’attente des instructions à exécuter seront réparties sur chacun des coeurs.
Il faut que les applications soient codées de manières à utiliser ces coeurs.

Notamment la fréquence du processeur et le nombre de coeurs.
Il faut aussi comprendre que la vitesse nominale du processeur est divisée par le nombre de coeurs.
Un processeur à 3.60 GHz  avec 8 coeurs aura une vitesse pour une tâche de : 3,60/8= 450 Mhz.
Si vous avez un processeur 4 cœurs physiques cadencés à 2,5Ghz, vous aurez en réalité 2,5/4 = 625Mhz.
Ainsi, le processeur à 2,5 Ghz sera plus rapide pour accomplir une seule tâche mais moins vite pour accomplir plusieurs tâches en même temps.

Les coeurs du processeur sont abordés sur la page : Optimiser son processeur (CPU) pour les jeux, montage vidéos etc

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Schéma d’un AMD Phenom II quadro-coeurs

Les coeurs logiques

Les coeurs logiques sont un découpages d’un coeurs physiques en deux par la technologie SM (HyperThreading chez Intel et AMD SMT).
Ce dernier pourra alors gérer deux files d’attente au lieu d’une seule.
Le but est d’utiliser un coeur à son maximum en s’assurant que ce dernier est toujours occupé.
Il s’agit donc d’une optimisation de la file d’attente (thread).

Comme un coeurs physiques possède deux coeurs logiques, il est assez faciles de savoir qu’un processeur 4 cœurs aura 8 coeurs logiques.

Ci-dessus, une capture d’écran du moniteur de ressources systèmes où on voit à droite tous les coeurs logiques du processeur.

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Fiches techniques du processeur achat ordinateur

Lorsque vous achetez un ordinateur, les fiches techniques donnent des informations sur les composants de l’ordinateur (processeur, carte mère, carte graphique, type de disque et capacités, etc).
Du côté du processeur, on trouve généralement les informations suivantes :

  • Génération et type du processeur, exemple : Intel Core i5 avec le nombre de coeur et la quantité de mémoire cache
  • La fréquence du CPU, exemple : 3,5 GHz
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Autre liens

Quelques liens autour de la configuration matériels et l’achat d’un nouvel ordinateur.

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