Le microprocesseur

Pourquoi dit-on « microprocesseur » ?

Le terme processeur désigne l’unité chargée d’exécuter les instructions d’un programme. Cette fonction existait bien avant les années 1970, mais elle était alors répartie sur de nombreux composants et plusieurs cartes électroniques.

On parle de microprocesseur lorsque les principales fonctions du processeur sont réunies sur une seule puce de circuit intégré. Le préfixe « micro- » renvoie donc à la miniaturisation permise par la microélectronique, et non à une puissance plus faible.

À quoi sert un microprocesseur ?

Un programme est constitué d’une suite d’instructions stockées en mémoire.
Le microprocesseur les lit et les exécute : effectuer un calcul, comparer deux valeurs, déplacer une donnée, lire un périphérique ou encore sauter vers une autre partie du programme.

Pour cela, il contient notamment :

• une unité de contrôle, qui décode les instructions et organise leur exécution ;
• une unité arithmétique et logique (UAL ou ALU), chargée des calculs et des opérations logiques ;
• des registres, petites mémoires internes très rapides utilisées pour conserver temporairement données, adresses et résultats ;
• un compteur ordinal (Program Counter), qui contient l’adresse de la prochaine instruction à exécuter.

Chercher, décoder, exécuter

Le fonctionnement du processeur repose sur un cycle fondamental : chercher une instruction → la décoder → l’exécuter

Le processeur récupère d’abord l’instruction en mémoire grâce à l’adresse indiquée par le compteur ordinal. L’unité de contrôle détermine ensuite l’opération demandée, puis les circuits appropriés l’exécutent.

Par exemple, pour additionner deux nombres, les valeurs sont placées dans des registres, l’UAL effectue l’addition et le résultat est conservé dans un registre ou envoyé en mémoire.

Le processeur peut également modifier son compteur ordinal afin d’effectuer un branchement. C’est ce mécanisme qui permet de réaliser les conditions, les boucles et les différentes structures d’un programme.

Le microprocesseur n’est pas un ordinateur complet

Un microprocesseur contient principalement l’unité centrale de traitement : il exécute les instructions, mais il a besoin de composants externes pour stocker les programmes et communiquer avec le reste du système. Il doit donc être associé à de la mémoire ainsi qu’à des circuits d’entrée-sortie permettant de gérer un écran, un clavier, un stockage, un réseau ou d’autres périphériques.

Ces éléments échangent leurs informations par l’intermédiaire de bus transportant les données, les adresses et les signaux de contrôle.

mémoire ↔ microprocesseur ↔ périphériques

Un microcontrôleur va plus loin : il réunit sur une même puce le processeur, de la mémoire et plusieurs périphériques d’entrée-sortie. Il constitue donc presque un petit ordinateur complet dans un seul circuit intégré.

Cette différence explique leur usage : les microprocesseurs sont souvent au cœur des ordinateurs et systèmes complexes, tandis que les microcontrôleurs sont particulièrement adaptés au pilotage d’appareils, de capteurs, de robots ou de systèmes embarqués.

Que signifient 8, 16, 32 ou 64 bits ?

Les expressions 8 bits, 16 bits, 32 bits ou 64 bits caractérisent notamment la taille des données que l’architecture du processeur manipule naturellement.

Un processeur 8 bits possède généralement des registres et une unité arithmétique adaptés au traitement de données de 8 bits. Cela ne signifie cependant pas que toutes ses parties utilisent cette largeur.

Le Zilog Z80, par exemple, est un processeur 8 bits mais utilise des adresses sur 16 bits. Il peut donc adresser : 2¹⁶ = 65 536 octets = 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 d’un processeur ?

Pas à elle seule. La fréquence indique le rythme de l’horloge du processeur. Un processeur fonctionnant à 4 MHz reçoit quatre millions de cycles d’horloge par seconde. Mais une instruction peut demander plusieurs cycles et deux architectures différentes peuvent effectuer une quantité de travail très différente à fréquence identique.

Les performances dépendent également de l’architecture interne, de la mémoire cache, de la vitesse de la mémoire, du nombre de cœurs et de nombreux autres paramètres. Comparer uniquement les MHz ou les GHz est donc trompeur.

1971 : l’Intel 4004 fait tenir le processeur sur une puce

À la fin des années 1960, le fabricant japonais de calculatrices Busicom demande à Intel de développer plusieurs circuits pour une nouvelle famille de machines.

Le projet aboutit à la famille MCS-4, dont le composant central est l’Intel 4004.

Commercialisé en 1971, ce microprocesseur 4 bits contient environ 2 300 transistors.

Sa véritable importance ne vient pas de sa puissance : pour la première fois, une unité centrale programmable peut être produite en série sous la forme d’un circuit intégré et utilisée dans différentes machines en changeant simplement le programme.

Quelques microprocesseurs qui ont marqué l’histoire

• Intel 8080 — 1974 : processeur 8 bits utilisé notamment dans l’Altair 8800, machine emblématique des débuts de la micro-informatique.
• MOS Technology 6502 — 1975 : son faible prix contribue au succès de machines comme l’Apple II, le Commodore PET ou le VIC-20.
• Zilog Z80 — 1976 : largement compatible avec l’Intel 8080, il équipe notamment les ZX Spectrum, MSX et Amstrad CPC.
• Intel 8086 / 8088 — 1978-1979 : ils donnent naissance à la famille x86. Le 8088 est choisi pour l’IBM PC de 1981.
• Motorola 68000 — 1979 : il équipe notamment le Macintosh, l’Amiga et l’Atari ST.
• ARM — à partir de 1985 : développée chez Acorn autour d’une approche RISC, cette architecture s’imposera dans les systèmes embarqués et les appareils mobiles avant de gagner les ordinateurs personnels.

Pourquoi le microprocesseur change-t-il l’informatique ?

Avant le microprocesseur, construire une unité centrale nécessite de nombreux circuits électroniques. Avec lui, le CPU devient un composant standard fabriqué en grande série.

Un constructeur peut acheter un processeur, lui ajouter de la mémoire, des circuits d’entrée-sortie et un programme, puis créer une nouvelle machine. Cette évolution permet de réduire la taille et le coût des systèmes informatiques tout en diffusant le calcul programmable bien au-delà des grands ordinateurs.

Le microprocesseur se retrouve progressivement dans les micro-ordinateurs, les consoles, les automobiles, les télécommunications, les équipements industriels et de nombreux appareils électroniques.