ORDINATEURS
Les améliorations de l'architecture de von Neumann
Les performances des ordinateurs ont connu une progression spectaculaire puisque les vitesses de calcul ont approximativement décuplé tous les cinq ans. Toutefois, les améliorations technologiques successives n'ont que peu modifié l'organisation interne des processeurs.
Dans le modèle de von Neumann, les performances de la mémoire conditionnent les performances du système tout entier, puisque toutes les informations transitent par elle. Les techniques décrites ci-après ont donc été développées pour améliorer les performances de la mémoire et pour introduire un parallélisme plus ou moins important dans l'exécution des instructions. Ces techniques peuvent se combiner entre elles dans un même ordinateur, afin d'en augmenter les performances, sans pour cela modifier la durée du cycle de base du processeur.
Les machines RISC
Pour être exécutées efficacement, les instructions doivent être simples et rapides à décoder. L'étape ID doit être la plus réduite possible. Par ailleurs, il importe de limiter le nombre de portes logiques à traverser lors des transferts élémentaires. Les processeurs modernes se caractérisent par un grand nombre de registres, afin de limiter les accès à la mémoire. Seules les instructions de chargement (load) et de rangement (store) font directement référence à la mémoire, lors de l'étape MEM. L'effort d'optimisation de l'exécution des instructions doit porter sur les instructions réellement utilisées dans un programme. Avant de figer une architecture de processeur, une étude statistique a permis de dégager les instructions les plus utilisées.
Au début des années 1980, de nouvelles architectures intégrant ces optimisations ont été baptisées machines RISC (Reduced Instruction Set Computer). Leur avènement a réduit les temps de conception des machines et grandement simplifié l'écriture des compilateurs. Par contraste, les machines antérieures, dotées d'un jeu d'instructions complexe, ont été rebaptisées machines CISC (Complex Instruction Set Computer).
Les architectures RISC ne se caractérisent pas seulement par un jeu d'instructions limité (essentiellement constitué d'opérations entre registres et d'opérations de transfert entre la mémoire et les registres), mais également par un grand nombre de registres (jusqu'à 512 registres, voire plus). Les instructions sont de longueur fixe (32 ou 64 bits) pour un décodage rapide.
Notion de pipeline
Le principe du pipeline est connu depuis longtemps en informatique, puisqu'il a été utilisé sur les premiers ordinateurs scientifiques. L'exécution d'une instruction sous le contrôle de l'unité de commande passe par plusieurs étapes, à l'image d'une chaîne de montage automobile.
Une étude plus approfondie de l'enchaînement des micro-instructions pour une instruction donnée montre que chaque étape consiste à récupérer des données binaires depuis un ou plusieurs registres source, à les modifier de manière combinatoire puis à les ranger dans un ou plusieurs registres destination. La figure 5a montre que l'exécution d'une instruction RISC se traduit par une succession cohérente de transferts élémentaires entre plusieurs couches successives de registres.
Si l'on parvient à rendre les étapes de durée égales et à les réaliser par des ressources matérielles distinctes, il devient alors possible de traiter plusieurs instructions en parallèle, et de supprimer complètement le microprogramme. En répartissant les traitements effectués initialement par l'unité de commande dans les différents étages, on augmente ainsi de manière significative le débit entrant des instructions dans le processeur : au lieu d'exécuter une instruction tous les 4 ou 5 cycles d'horloge comme dans la version microprogrammée, une nouvelle instruction[...]
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Écrit par
- Danièle DROMARD : maître de conférences à l'université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie, ingénieur de l'École polytechnique féminine, docteur-ingénieur
- François PÊCHEUX : professeur, Sorbonne université
Classification
Médias
Machine à calculer de Charles Babbage
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John von Neumann
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