NEC 1982 and ACT 1984 Overview

Ce document présente une synthèse de l'évolution des microprocesseurs Intel, depuis les premiers modèles comme le 4004 jusqu'aux générations plus récentes telles que le Pentium IV et l'Itanium. Il s'adresse aux étudiants en informatique et en électronique souhaitant comprendre l'histoire, les caractéristiques techniques et les innovations majeures dans le domaine des microprocesseurs.

Historique des microprocesseurs

Les microprocesseurs ont évolué à partir des premiers ordinateurs à transistors des années 1950. Le concept fondamental de programme enregistré a été introduit par John Von Neumann avec la machine EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) entre 1943 et 1945.

Avant l'apparition des microprocesseurs, des machines comme l'ENIAC (1943) utilisaient des milliers de lampes, consommaient beaucoup d'énergie (140 kW) et étaient très volumineuses (100 pieds de long).

Le premier microprocesseur commercialisé fut l'Intel 4004 en 1971, un processeur 4 bits avec 2300 transistors, destiné aux calculatrices.

Les premières générations de microprocesseurs Intel

Intel 4004 (1971)

• Bus de données : 4 bits
• 46 instructions sur 8 bits
• 16 registres 4 bits ou 8 registres 8 bits
• 1 Ko de données, 4 Ko de programmes
• 2300 transistors
• Cycle de 10,8 ms
• Performance approximative : 0,001 MIPS

Intel 8008 (1972)

• Bus de données : 8 bits
• Utilisé pour réaliser un système complet avec 20 circuits intégrés

Intel 8080 (1974)

• Bus de données : 8 bits
• Bus d'adresses : 16 bits
• 7 registres 8 bits (A, B, C, D, E, H, L) pouvant former des registres 16 bits (BC, DE, HL)
• 64 Ko d'adresses mémoire
• 6000 transistors
• Fréquence : 2 MHz
• Performance approximative : 0,02 MIPS

Intel 8086 et 8088 (1978-1979)

• 8086 : bus de données 16 bits, 29 000 transistors, fréquence 4,77 MHz
• 8088 : bus de données 8 bits, même nombre de transistors et fréquence, utilisé dans le PC-XT IBM (1981)

Intel 80286 (1982)

• Amélioration du 8086, environ 4 fois plus performant
• 134 000 transistors
• Fréquence : 6 à 20 MHz
• Mode protégé avec adresses virtuelles sur 24 bits
• Utilisé dans le PC-AT IBM (1984)

Intel 80386 (1985-1988)

• Bus de données 32 bits
• 275 000 transistors
• Fréquence : 16 à 40 MHz
• Pipeline en 4 étapes
• Mode virtuel
• Version SX à bus 16 bits, moins coûteuse

Intel 80486 (1989-1994)

• Amélioration du 80386, environ 2 fois plus performant
• 1,2 million de transistors
• Fréquence : 25 à 100 MHz selon les versions
• Pipeline en 5 étapes
• Coprocesseur intégré (sauf version SX)
• Cache L1 de 8 à 16 Ko, cache L2 sur carte mère ou intégré
• Versions DX, SX, DX2 (overdrive x2), DX4 (overdrive x3)

Les générations Pentium et suivantes

Intel Pentium (1993)

• Bus de données 64 bits, bus externe 32 bits
• 3,1 millions de transistors
• Fréquence : 60 à 200 MHz
• Architecture superscalaire avec 2 unités arithmétiques (ALU)
• Unité de prédiction de branchement (256 entrées, 80 % de réussite)
• Cache L1 de 8 Ko pour les données et 8 Ko pour les instructions
• Pipeline pour l'unité flottante (FPU)

Intel Pentium Pro (1995)

• Destiné aux serveurs haut de gamme
• 5,5 millions de transistors
• Fréquence : 150 à 200 MHz
• Pipeline de 14 étapes
• Exécution hors ordre
• Cache L2 intégré de 256 Ko à 1 Mo

Intel Pentium MMX (1997)

• Extension multimédia (Multi Media eXtension)
• 57 nouvelles instructions pour audio et vidéo
• 4,5 millions de transistors
• Fréquence : 166 à 233 MHz
• Cache L1 de 32 Ko (16 Ko données + 16 Ko instructions)
• Performance améliorée de 10 à 20 % par rapport au Pentium classique

Intel Pentium II (1997-1998)

• Combinaison du Pentium Pro et MMX
• 7,5 millions de transistors
• Fréquence : 233 à 450 MHz
• Bus à 66 ou 100 MHz
• Cartouche SEC avec cache L2 de 512 Ko
• Cache L1 de 32 Ko (16 Ko données + 16 Ko instructions)

Intel Celeron (1998)

• Version économique du Pentium II sans cache L2 (Covington)
• Fréquence : 266 à 300 MHz
• Version améliorée avec 128 Ko de cache L2 (Mendocino)
• Fréquence : 300 à 433 MHz

Intel Pentium III (1999-2002)

• Ajout des instructions SSE (Streaming SIMD Extension)
• 9,5 millions à 44 millions de transistors selon les versions
• Fréquence : 450 MHz à 1,4 GHz
• Cache L2 intégré (512 Ko)
• Versions Katmai, Coppermine, Tualatin
• Introduction du numéro de série du processeur

Intel Pentium IV (2000-2002)

• 42 à 55 millions de transistors
• Fréquence : 1,3 à 3,066 GHz
• Cache L2 intégré de 256 à 512 Ko, à pleine vitesse
• Architecture NetBurst avec :
• Hyper Pipelined Technology
• Trace cache
• Advanced Dynamic Execution
• Advanced Transfer Cache
• Rapid Execution Engine
• SSE2

Intel Itanium (2001-2002)

• Architecture 64 bits EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing), type VLIW
• Fréquence : 733 à 1000 MHz
• Cache L1 de 32 Ko, L2 de 96 Ko, L3 de 2 à 4 Mo
• Itanium 2 avec cache L2 de 256 Ko et L3 de 1,5 à 3 Mo
• Performances jugées peu efficaces

Exemple d'évolution technique : pipeline et cache

Le pipeline est une technique d'amélioration des performances qui consiste à découper l'exécution d'une instruction en plusieurs étapes pouvant être traitées simultanément. Par exemple :

• Intel 80386 : pipeline en 4 étapes
• Intel 80486 : pipeline en 5 étapes
• Intel Pentium Pro : pipeline en 14 étapes

Le cache est une mémoire rapide intégrée au processeur pour stocker temporairement les données et instructions les plus utilisées. Sa taille a augmenté avec les générations :

• 80486 : cache L1 de 8 Ko
• Pentium : cache L1 de 8 Ko pour données et 8 Ko pour instructions
• Pentium Pro : cache L2 intégré de 256 Ko à 1 Mo

Glossaire des termes clés

• Bus de données : ensemble de lignes électriques permettant le transfert des données entre les composants.
• Bus d'adresses : lignes électriques utilisées pour spécifier l'adresse mémoire à accéder.
• Pipeline : technique permettant d'exécuter plusieurs étapes d'instructions en parallèle pour améliorer la vitesse.
• Cache : mémoire rapide intégrée au processeur pour accélérer l'accès aux données fréquemment utilisées.
• Mode protégé : mode de fonctionnement du processeur permettant la gestion d'adresses virtuelles et la protection mémoire.
• Superscalaire : architecture permettant l'exécution simultanée de plusieurs instructions par cycle d'horloge.
• Exécution hors ordre : capacité d'exécuter les instructions dans un ordre différent de celui du programme pour optimiser les performances.
• MMX : ensemble d'instructions multimédia ajoutées aux processeurs Pentium pour améliorer le traitement audio et vidéo.
• EPIC : architecture de processeur exploitant l'exécution parallèle explicite des instructions (Itanium).
• VLIW : Very Long Instruction Word, architecture où plusieurs opérations sont codées dans une seule instruction.

Points clés à retenir

• Les microprocesseurs ont évolué de 4 bits (Intel 4004) à 64 bits (Itanium) en augmentant la complexité et la performance.
• L'augmentation du nombre de transistors a permis l'intégration de caches, pipelines plus longs et fonctionnalités avancées.
• Les architectures superscalaires et l'exécution hors ordre ont significativement amélioré les performances.
• Les extensions multimédia (MMX, SSE) ont été introduites pour répondre aux besoins spécifiques du traitement audio et vidéo.
• Le développement des caches L1, L2 et L3 est crucial pour réduire la latence mémoire et accélérer le processeur.
• Les architectures récentes comme l'Itanium ont tenté de nouvelles approches (EPIC), mais avec un succès limité.