Microprocesseur: Fonctionnement & Applications

Objectifs d'apprentissage

• Comprendre le rôle fondamental d'un microprocesseur dans un système informatique.
• Identifier les différents composants internes d'un microprocesseur (ALU, registres, unité de contrôle, etc.) et leurs fonctions spécifiques.
• Analyser le cycle d'exécution des instructions (fetch, decode, execute, write-back).
• Maîtriser les concepts d'architecture (RISC vs CISC, pipeline, parallélisme).
• Étudier l'évolution technologique des microprocesseurs (loi de Moore, multi-cœurs).
• Appliquer des méthodes d'optimisation pour les programmes exploitant les capacités du microprocesseur.

Public cible

Ce cours s'adresse aux étudiants en informatique, ingénierie électronique ou technologies numériques (niveau licence/master), ainsi qu'aux professionnels souhaitant approfondir leur compréhension des architectures matérielles. Des bases en électronique numérique et programmation (langage C ou assembleur) sont recommandées pour tirer pleinement profit des contenus.

Contenu détaillé

1. Introduction au microprocesseur

Définition historique et enjeux actuels. Différence entre microprocesseur, microcontrôleur et CPU. Exemples d'applications (ordinateurs, IoT, systèmes embarqués).

2. Architecture interne

• Unité de traitement (ALU) : Opérations arithmétiques et logiques
• Registres : Accumulateur, pointeur d'instructions, registres d'état
• Bus internes : Données, adresses, contrôle
• Mémoire cache : Niveaux L1/L2/L3, politiques de remplacement

3. Cycle d'exécution

Détail des 4 phases avec chronogrammes. Gestion des interruptions (IRQ). Exemples en langage assembleur (MOV, ADD, JMP).

4. Évolutions technologiques

Impact de la miniaturisation (7nm, 5nm). Architectures multi-cœurs et hyperthreading. Limites physiques et alternatives (quantique, neuromorphique).

Méthodes pédagogiques

• Cours théoriques illustrés par des schémas animés
• TP sur émulateurs (MARS MIPS, QEMU)
• Analyse de benchmarks (SPEC CPU, Geekbench)
• Étude de cas concrets (processeurs x86, ARM, RISC-V)

Évaluation

Projet pratique de simulation d'architecture (50%) + Examen final sur les concepts clés (50%). Des exercices formatifs sont proposés chaque semaine via la plateforme en ligne.

Ressources complémentaires

• "Computer Organization and Design" (Patterson & Hennessy)
• Documentations techniques Intel/AMD (fiches techniques des processeurs récents)
• Outils open-source : GHDL (simulation VHDL), Gem5 (architecture)