La première étape, FETCH (recherche), consiste à rechercher une instruction dans la mémoire vive de l'ordinateur. L'emplacement dans la mémoire est déterminé par le compteur de programme (PC), qui stocke l'adresse de la prochaine instruction dans la mémoire de programme. Après qu'une instruction a été recherchée, le PC est incrémenté par la longueur du mot d'instruction. Dans le cas de mot de longueur constante simple, c'est toujours le même nombre. Par exemple, un mot de 32 bits de longueur constante qui emploie des mots de 8 bits de mémoire incrémenterait toujours le PC par 4 (excepté dans le cas des sauts). Le jeu d'instructions qui emploie des instructions de longueurs variables comme l'x86, incrémentent le PC par le nombre de mots de mémoire correspondant à la dernière longueur d'instruction. En outre, dans des unités centrales de traitement plus complexes, l'incrémentation du PC ne se produit pas nécessairement à la fin de l'exécution d'instruction. C'est particulièrement le cas dans des architectures fortement parallélisées et superscalaires. Souvent, la recherche de l'instruction doit être opérée dans des mémoires lentes, ralentissant l'unité centrale de traitement qui attend l'instruction. Cette question est en grande partie résolue dans les processeurs modernes par l'utilisation de caches et d'architectures pipelines.
L'instruction que le processeur recherche en mémoire est utilisée pour déterminer ce que le CPU doit faire. Dans l'étape DECODE (décodage), l'instruction est découpée en plusieurs parties telles qu'elles puissent être utilisées par d'autres parties du processeur. La façon dont la valeur de l'instruction est interprétée est définie par le jeu d'instructions (ISA) du processeur 2. Souvent, une partie d'une instruction, appelée opcode (code d'opération), indique quelle opération est à faire, par exemple une addition. Les parties restantes de l'instruction comportent habituellement les autres informations nécessaires à l'exécution de l'instruction comme par exemples les opérandes de l'addition. Ces opérandes peuvent prendre une valeur constante, appelée valeur immédiate, ou bien contenir l'emplacement où retrouver (dans un registre ou une adresse mémoire) la valeur de l'opérande, suivant le mode d'adressage utilisé. Dans les conceptions anciennes, les parties du processeur responsables du décodage étaient fixes et non modifiables car elles étaient codées dans les circuits. Dans les processeurs plus récents, un microprogramme est souvent utilisé pour traduire les instructions en différents ordres. Ce microprogramme est parfois modifiable pour changer la façon dont le CPU décode les instructions, même après sa fabrication.

Diagramme fonctionnel d'un processeur simple

 Après les étapes de recherche et de décodage arrive l'étape EXECUTE (exécution) de l'instruction. Au cours de cette étape, différentes parties du processeur sont mises en relation pour réaliser l'opération souhaitée. Par exemple, pour une addition, l'unité arithmétique et logique (ALU) sera connectée à des entrées et des sorties. Les entrées présentent les nombres à additionner et les sorties contiennent la somme finale. L'ALU contient la circuiterie pour réaliser des opérations d'arithmétique et de logique simples sur les entrées (addition, opération sur les bits). Si le résultat d'une addition est trop grand pour être codé par le processeur, un signal de débordement est positionné dans un registre d'état.
La dernière étape WRITEBACK (écriture du résultat), écrit tout simplement les résultats de l'étape d'exécution en mémoire. Très souvent, les résultats sont écrits dans un registre interne au processeur pour bénéficier de temps d'accès très courts pour les instructions suivantes. Dans d'autres cas, les résultats sont écrits plus lentement dans des mémoires RAM, donc à moindre coût et acceptant des codages de nombres plus grands.
Certains types d'instructions manipulent le compteur de programme plutôt que de produire directement des données de résultat.
Ces instructions sont appelées des sauts (jumps) et permettent de réaliser des boucles (loops), des programmes à exécution conditionnelle ou des fonctions (sous-programmes) dans des programmes 3. Beaucoup d'instructions servent aussi à changer l'état de drapeaux (qui est une valeur binaire indiquant le résultat d’une opération ou le statut d’un objet) (flags) dans un registre d'état. Ces états peuvent être utilisés pour conditionner le comportement d'un programme, puisqu'ils indiquent souvent la fin d'exécution de différentes opérations. Par exemple, une instruction de comparaison entre deux nombres va positionner un drapeau dans un registre d'état suivant le résultat de la comparaison. Ce drapeau peut alors être réutilisé par une instruction de saut pour poursuivre le déroulement du programme.
Après l'exécution de l'instruction et l'écriture des résultats, tout le processus se répète, le prochain cycle d'instruction recherche la séquence d'instruction suivante puisque le compteur de programme avait été incrémenté. Si l'instruction précédente était un saut, c'est l'adresse de destination du saut qui est enregistrée dans le compteur de programme. Dans des processeurs plus complexes, plusieurs instructions peuvent être recherchées, décodées et exécutées simultanément, on parle alors d'architecture pipeline.

 2/ Conception et implémentation.

a)  Sa conception.

Les processeurs sont tous gravés sur des plaques appelées Wafers. Les différentes séries de processeurs n’ont pas forcément la même finesse de gravure, les processeurs actuels sont gravés en 0,09µ et 0,065µ (soit 90 et 65 nanomètres). Le fait de diminuer la finesse de gravure permet d’abaisser leur coût de fabrication. Cette technique permet donc de produire plus de processeur à la fois sur un Wafer et de diminuer la consommation du processeur et donc de la quantité de chaleur produite ce qui permet d’abaisser la consommation d’énergie et d’augmenter en fréquence. Une finesse de gravure accrue permet également de loger plus de transistors dans le core du processeur et donc d’ajouter des fonctionnalités supplémentaires tout en gardant une surface aussi compacte que les générations précédentes.

b)  Le signal d’horloge.

Les processeurs ont un fonctionnement synchrone par nature. Cela veut dire qu'ils fonctionnent au rythme d'un signal de synchronisation qui est le signal d'horloge. Il prend souvent la forme d'une onde carrée périodique.

 En calculant le temps maximum que prend le signal électrique pour se propager dans les différentes branches des circuits du processeur, le concepteur peut sélectionner la période appropriée du signal d'horloge.

Cette période doit être supérieure au temps que prend le signal pour se propager dans le pire des cas. En fixant la période de l'horloge à une valeur bien au-dessus du pire des cas de temps de propagation, il est possible de concevoir entièrement le processeur et la façon dont il déplace les données autour des "fronts" montants ou descendants du signal d'horloge. Ceci a pour avantage de simplifier significativement le processeur tant du point de vue de sa conception que de celui du nombre de ses composants. Par contre, ceci a pour inconvénient de ralentir processeur. En effet sa vitesse doit s'adapter à celle de son élément le plus lent, même si d'autres parties sont beaucoup plus rapides. Ces limitations sont largement compensées par différentes méthodes d'accroissement du parallélisme des processeurs.

Les améliorations d'architecture ne peuvent pas, à elles seules, résoudre tous les inconvénients des processeurs globalement synchrones. Par exemple, un signal d'horloge est sujet à des retards comme tous les autres signaux électriques. Les fréquences d'horloge plus élevées que l'on trouve dans les processeurs à la complexité croissante engendrent des difficultés pour conserver le signal d'horloge en phase synchronisé à travers toute l'unité centrale de traitement. En conséquence, beaucoup des processeurs d'aujourd'hui nécessitent la fourniture de plusieurs signaux d'horloge identiques de façon à éviter que le retard d'un seul signal ne puisse être la cause d'un dysfonctionnement du processeur. La forte quantité de chaleur qui doit être dissipée par le processeur constitue un autre problème majeur dû à l'accroissement des fréquences d'horloge. Les changements d'état fréquents de l'horloge font commuter un grand nombre de composants, qu'ils soient ou non utilisés à cet instant. En général, les composants qui commutent utilisent plus d'énergie que ceux qui restent dans un état statique. Ainsi, plus les fréquences d’horloge augmentent et plus la dissipation de chaleur en fait autant, ce qui fait que les processeurs requièrent des solutions de refroidissement plus efficaces.

c)    Le parallélisme.

Le parallélisme consiste à exécuter simultanément, sur des processeurs différents, des instructions relatives à un même programme. Cela se traduit par le découpage d'un programme en plusieurs processus traités en parallèle afin de gagner en temps d'exécution.

Ce type de technologie nécessite toutefois une synchronisation et une communication entre les différents processus.

Le fonctionnement de celle ci peut être très perturbé lorsque la communication entre les processus ne fonctionne pas correctement. 

d)  Le pipeline

Le pipeline  est une technologie visant à permettre une plus grande vitesse d'exécution des instructions en parallélisant des étapes.

Pour comprendre le mécanisme du pipeline, il est nécessaire de comprendre les phases d'exécution d'une instruction que nous avons expliquée auparavant.

Pour rappel, les phases d'exécution d'une instruction pour un processeur contenant un pipeline à 5 étages sont les suivantes :

·        LI : Lecture de l'Instruction (en anglais FETCH instruction) depuis le cache ;

·        DI : Décodage de l'Instruction (DECODE instruction) et recherche des opérandes (Registre ou valeurs immédiate);

·        EX : Exécution de l'Instruction (EXECUTE instruction) (si ADD, on fait la somme, si SUB, on fait la soustraction, etc.);

·        MEM : Accès mémoire (MEMORY access), écriture dans la mémoire si nécessaire ou chargement depuis la mémoire ;

·        ER : Ecriture (WRITE(BACK) instruction) de la valeur calculée dans les registres.

Les instructions sont organisées en file d'attente dans la mémoire, et sont chargées les unes après les autres. 

Grâce au pipeline, le traitement des instructions nécessite au maximum les cinq étapes précédentes. Dans la mesure où l'ordre de ces étapes est invariable (LI, DI, EX, MEM et ER), il est possible de créer dans le processeur un certain nombre de circuits spécialisés pour chacune de ces phases. 

L'objectif du pipeline est d'être capable de réaliser chaque étape en parallèle avec les étapes amont et aval, c'est-à-dire de pouvoir lire une instruction (LI) lorsque la précédente est en cours de décodage (DI), que celle d'avant est en cours d'exécution (EX), que celle située encore précédemment accède à la mémoire (MEM) et enfin que la première de la série est déjà en cours d'écriture dans les registres (ER). 

Il faut compter en général 1 à 2 cycles d'horloge pour chaque phase du pipeline, soit 10 cycles d'horloge maximum par instruction. Pour deux instructions, 12 cycles d'horloge maximum seront nécessaires (10+2=12 au lieu de 10*2=20), car la précédente instruction était déjà dans le pipeline. Les deux instructions sont donc en traitement dans le processeur, avec un décalage d'un ou deux cycles d'horloge). Pour 3 instructions, 14 cycles d'horloge seront ainsi nécessaires et etc. 

Il existe différents types de pipelines, de 2 à 40 étages, mais le principe reste toujours  le même. 

 e)  Pipeline superscalaire

La technologie superscalaire consiste à disposer plusieurs unités de traitement en parallèle afin de pouvoir traiter plusieurs instructions par cycle. 

 Les conceptions de pipelining simple et superscalaire augmentent donc le parallélisme des CPU en permettant à un processeur unique d'exécuter des instructions à un rythme de plus d'une instruction par cycle. La plupart des processeurs d'aujourd'hui ont au moins une partie superscalaire.

Conclusion :

Le processeur est donc le cerveau de l’ordinateur bien qu’il ne cesse d’évoluer constamment. Cependant, une date clé marque la création d’un nouveau type de processeur qui a permit d’améliorer l’ordinateur, de le rendre plus fiable, d’augmenter sa vitesse d’exécution, de le minimiser et donc le rendre moins cher. Cette nouvelle création est le microprocesseur qui fut inventé en 1971 par Marcian Hof.

C’est de cette évolution dont nous parlerons dans notre deuxième partie.