Le microprocesseur
À quoi sert un microprocesseur ?
Le microprocesseur est essentiellement l’unité centrale de traitement, ou CPU (Central Processing Unit), d’un système informatique.
Son rôle est simple à énoncer : lire les instructions d’un programme et les exécuter.
Pour cela, il contient notamment :
- une unité de contrôle, qui organise l’exécution des instructions ;
- une unité arithmétique et logique (UAL ou ALU), qui réalise les calculs et les comparaisons ;
- des registres, petites mémoires très rapides utilisées pendant les calculs ;
- un compteur ordinal, qui indique où se trouve la prochaine instruction à exécuter.
Un microprocesseur n’est donc pas, à lui seul, un ordinateur complet. Il doit communiquer avec de la mémoire et des périphériques d’entrée-sortie.
Comment fonctionne-t-il ?
Le principe général repose sur un cycle répété en permanence :
chercher une instruction → la décoder → l’exécuter.
Imaginons un programme très simple :
charger 5 charger 3 additionner enregistrer le résultat
Le processeur commence par aller chercher la première instruction en mémoire.
Son unité de contrôle détermine ce qu’elle signifie puis commande les circuits nécessaires. Les valeurs peuvent être placées dans des registres, puis l’unité arithmétique effectue l’addition : 5 + 3 = 8
Le résultat est ensuite conservé dans un registre ou envoyé vers la mémoire. Le processeur passe alors à l’instruction suivante.
Les programmes réels utilisent les mêmes principes, mais avec des millions ou des milliards d’instructions permettant de déplacer des données, calculer, comparer des valeurs ou modifier l’ordre d’exécution.
Comment un programme change-t-il son ordre d’exécution ?
Le processeur n’exécute pas obligatoirement toutes les instructions les unes après les autres.
Il peut effectuer des branchements.
Par exemple :
si A est supérieur à B
aller à une autre partie du programme
Le processeur réalise d’abord la comparaison. Selon le résultat, il modifie l’adresse contenue dans son compteur ordinal.
Ce principe permet de créer :
- des conditions ;
- des boucles ;
- des fonctions ;
- et plus généralement toute la logique d’un programme.
Le fonctionnement fondamental d’un processeur reste donc assez simple : traiter des données tout en déterminant quelle instruction doit être exécutée ensuite.
Que signifient 8, 16, 32 ou 64 bits ?
La mention 8 bits, 16 bits, 32 bits ou 64 bits caractérise notamment la taille des données que l’architecture du processeur manipule naturellement.
Un processeur 8 bits travaille généralement avec des valeurs de 8 bits dans ses principaux registres et son unité arithmétique.
Cela ne signifie cependant pas que toutes ses parties utilisent 8 bits.
Le Zilog Z80, par exemple, est un processeur 8 bits mais possède un système d’adressage sur 16 bits.
Il peut donc adresser :
216 = 65 536 octets, soit 64 Ko.
La largeur des données et la taille de l’espace mémoire sont donc deux notions différentes.
La fréquence mesure-t-elle la puissance ?
Pas à elle seule.
La fréquence indique le rythme de fonctionnement du processeur. Un processeur à 4 MHz fonctionne avec quatre millions de cycles d’horloge par seconde.
Cependant, une instruction peut nécessiter plusieurs cycles et deux architectures différentes peuvent réaliser une quantité de travail très différente pendant un même cycle.
Les performances dépendent également de nombreux éléments :
- architecture interne ;
- nombre d’instructions exécutables simultanément ;
- mémoire cache ;
- vitesse de la mémoire ;
- nombre de cœurs.
Comparer uniquement les MHz ou les GHz de deux processeurs différents peut donc être trompeur.
1971 : Intel 4004, le processeur devient une puce
À la fin des années 1960, le fabricant japonais de calculatrices Busicom demande à Intel de développer plusieurs circuits pour une nouvelle gamme de machines.
Intel conçoit finalement une architecture utilisant plusieurs puces spécialisées, dont une unité centrale programmable : le 4004.
Commercialisé en 1971, il fonctionne sur 4 bits et contient environ 2 300 transistors.
Sa véritable importance ne vient pas de ses performances.
Pour la première fois, une unité centrale programmable peut être achetée comme un composant électronique et utilisée dans des machines différentes simplement en changeant le programme.
Les microprocesseurs qui ont marqué l’histoire
Quelques processeurs jouent ensuite un rôle particulièrement important dans la diffusion de l’informatique.
Intel 8080 — 1974
L’Intel 8080 est un processeur 8 bits suffisamment puissant pour devenir le cœur de véritables micro-ordinateurs.
Il équipe notamment l’Altair 8800 en 1975, l’une des machines emblématiques des débuts de la micro-informatique.
MOS 6502 — 1975
Le MOS Technology 6502 se distingue par son prix très faible.
Il équipe de nombreuses machines devenues célèbres, notamment l’Apple II, le Commodore PET, le VIC-20 et le BBC Micro.
Le faible coût du processeur contribue directement à rendre les ordinateurs personnels plus accessibles.
Zilog Z80 — 1976
Le Z80 reprend une grande partie de l’architecture du 8080 tout en ajoutant de nouvelles instructions et davantage de registres.
Il devient extrêmement populaire dans les machines 8 bits.
On le retrouve notamment dans les ZX Spectrum, les ordinateurs MSX, les Amstrad CPC et de nombreuses machines utilisant le système CP/M.
Intel 8086 et 8088 — 1978-1979
L’Intel 8086 marque le début de la famille aujourd’hui appelée x86.
Son dérivé, le 8088, est choisi par IBM pour l’IBM PC commercialisé en 1981.
Le succès du PC et de ses nombreux compatibles donne une importance considérable à cette architecture, dont les descendants équipent encore de nombreux ordinateurs actuels.
Motorola 68000 — 1979
Le Motorola 68000 adopte une architecture particulièrement avancée pour son époque.
Il équipe notamment les premiers Macintosh, l’Amiga et l’Atari ST.
Pendant les années 1980, la famille Motorola 68000 constitue l’une des principales alternatives à l’architecture x86.
ARM — à partir de 1985
Chez Acorn Computers, Sophie Wilson et Steve Furber développent une architecture fondée sur une approche RISC : utiliser un jeu d’instructions relativement simple afin d’obtenir une architecture efficace.
Le premier prototype ARM1 fonctionne en 1985.
L’efficacité énergétique de cette architecture devient particulièrement intéressante avec l’essor des appareils portables.
ARM s’impose progressivement dans les téléphones, les tablettes et les systèmes embarqués avant de gagner également une place importante dans les ordinateurs.
Pourquoi le microprocesseur change-t-il l’informatique ?
Avant le microprocesseur, construire une unité centrale nécessite de nombreux composants et circuits.
Avec lui, le CPU devient un composant standard fabriqué en grande série.
Un constructeur peut acheter un processeur, lui ajouter de la mémoire, des périphériques et un programme, puis construire sa propre machine.
Cette évolution permet :
- de réduire la taille des ordinateurs ;
- d’abaisser leur coût ;
- d’améliorer leur fiabilité ;
- et surtout d’intégrer le calcul programmable dans un nombre croissant d’appareils.
Le microprocesseur ne reste donc pas cantonné aux ordinateurs personnels. Il se diffuse dans les consoles, les automobiles, les équipements industriels, les télécommunications et de nombreux appareils électroniques.
Du microprocesseur au système sur puce
Les processeurs modernes ne se contentent plus d’une seule unité de calcul.
Ils possèdent souvent plusieurs cœurs, capables d’exécuter plusieurs programmes ou parties de programmes simultanément.
De nombreux appareils utilisent également des SoC (System on a Chip).
Ces puces regroupent non seulement plusieurs cœurs de processeur, mais aussi :
- un processeur graphique ;
- des contrôleurs mémoire ;
- des circuits d’entrée-sortie ;
- et parfois des unités spécialisées pour la vidéo ou l’intelligence artificielle.
L’évolution commencée avec le circuit intégré se poursuit donc : réunir toujours davantage de fonctions dans une seule puce.
Microprocesseur et microcontrôleur : quelle différence ?
Un microprocesseur désigne principalement l’unité centrale de traitement.
Un microcontrôleur intègre en plus, dans la même puce, de la mémoire et différents périphériques. Il constitue donc presque un petit ordinateur complet dans un seul circuit. Les microcontrôleurs sont particulièrement utilisés pour piloter des équipements : robots, voitures, appareils électroménagers, capteurs ou systèmes embarqués.
Les cartes Arduino classiques utilisent par exemple des microcontrôleurs.
Une révolution qui tient dans une puce
L’importance du microprocesseur ne vient finalement pas d’une nouvelle manière de calculer.
Les ordinateurs savaient déjà additionner, comparer, effectuer des branchements et exécuter des programmes bien avant 1971.
La véritable rupture consiste à avoir réussi à réunir l’unité centrale dans un circuit intégré suffisamment petit, fiable et économique pour être fabriqué en très grande quantité.
Le processeur devient alors un composant utilisable dans presque n’importe quelle machine.
C’est cette évolution qui permet à l’informatique de quitter progressivement les centres de calcul pour entrer dans les entreprises, les foyers puis les objets du quotidien.
