Jeu d'instructions

Architecture d'un processeur « 0 adresse », dite « à pile ».

Dans cette architecture, les instructions vont directement agir sur la pile. Les opérandes sont automatiquement chargés depuis le pointeur de pile (SP, Stack Pointer), et le résultat est à son tour empilé.

L'opération A = B + C sera traduite par la séquence suivante :

PUSH B  ; Empile B
PUSH C  ; Empile C
ADD     ; Additionne B et C
POP A   ; Stocke le haut de la pile à l'adresse A et dépile

Avec cette architecture, les instructions arithmétiques et logiques sont vraiment très courtes : leurs opérandes sont placés au sommet de la pile, et sont adressés implicitement : le processeur n'a pas besoin de préciser leur localisation dans la mémoire. En conséquence, ces instructions sont souvent constituées d'un seul et unique opcode. Ces opérations étant assez courantes, la taille moyenne d'une instruction est donc très faible. En conséquence, la taille des programmes d'une architecture « 0-adresse » est très faible comparée aux autres architectures. On résume cet état de fait en disant que la « code density » (la densité du code) est bonne.

Malheureusement, l'usage d'une pile pose quelques problèmes. Par exemple, il est impossible d'utiliser plusieurs fois la même donnée dans des calculs différents. Il faut dire que chaque opération arithmétique ou logique va automatiquement dépiler les opérandes qu'elle utilise. Dans ces conditions, si un opérande peut être utilisé dans plusieurs calculs, celui-ci doit être recalculé à chaque fois. Diverses instructions ont été inventées pour limiter la casse : des instructions permettant de permuter deux opérandes dans la pile, des instructions permettant de dupliquer le sommet de la pile, etc. Mais ce problème demeure.

Ce type d'architecture a été utilisé dans les calculatrices HP fonctionnant en notation polonaise inversée (post-fixée), dans les machines Burroughs de la gamme B 5000 et les miniordinateurs Hewlett-Packard de la gamme HP 3000. Il est aussi utilisé pour le FPU des processeurs x86.

Architecture d'un processeur avec un accumulateur ».

Sur une machine de ce type, historiquement ne disposant que d'un seul registre, appelé Accumulateur, tous les calculs se font implicitement sur celui-ci.

L'opération A = B + C sera traduite par la séquence suivante :

LOAD  B  ; copie le contenu de l'adresse B dans l'accumulateur
ADD   C  ; ajoute le contenu de l'adresse C à celui de l'accumulateur,
           stocke le résultat dans l'accumulateur
STORE A  ; stocke la valeur de l'accumulateur à l'adresse A

Sur les processeurs disposant d'un accumulateur, tous les résultats d'une instruction manipulant des registres vont être écrits dans cet accumulateur. De la même manière, toute instruction va aller manipuler le contenu de cet accumulateur.

Bien évidemment, les instructions qui manipulent plusieurs opérandes vont pouvoir aller chercher ceux-ci dans la mémoire ou dans d'autres registres. Historiquement, les premières machines à accumulateur ne contenaient pas d'autres registres pour stocker les opérandes des instructions arithmétiques et logiques. De ce fait, le seul registre pouvant stocker des données était l'accumulateur.

Par la suite, certaines architectures à accumulateur incorporèrent des registres supplémentaires pour stocker des opérandes. Cela permettait de diminuer le nombre d'accès mémoire lors de la lecture des opérandes. Mais attention : ces registres ne peuvent servir que d’opérande dans une instruction, et le résultat d'une instruction ira obligatoirement dans l'accumulateur.

Les avantages et désavantages de ces machines à accumulateurs sont les mêmes que pour les machines à pile. Leur code density est faible. Toutefois, elle n'est pas aussi bonne que pour les machines à pile. L'opérande stocké dans l'accumulateur n'a pas besoin d'être précisé, l'accumulateur étant utilisé implicitement par ces instructions. Mais si une instruction utilise plus d'un opérande, pour les opérandes restants, chaque instruction arithmétique ou logique va devoir préciser la localisation en mémoire de celui-ci — qu'il s'agisse d'une adresse mémoire ou d'un registre. Les instructions arithmétiques et logiques sont donc plus longues, ce qui diminue la code density.

Réutiliser des résultats plusieurs fois est aussi très compliqué, comme sur les machines à pile. Un résultat de calcul est automatiquement stocké dans l'accumulateur, donc le contenu de l'accumulateur est écrasé à chaque instruction arithmétique et logique et réutiliser des résultats est très difficile, sauf à passer par la mémoire.

En revanche, le nombre d'accès à la mémoire diminue avec l'utilisation de l'accumulateur. Celui-ci est placé dans le processeur, et tout accès à son contenu ne passe pas par la mémoire. Avec une machine à pile, tout opérande doit être chargé implicitement depuis la mémoire (même si certaines machines à piles ont eu la bonne idée de placer le sommet de la pile dans un registre caché au programmeur).

Architecture d'un processeur « registre vers mémoire ».

Ici une instruction peut avoir comme opérande un ou plusieurs registres (typiquement un ou deux) et une adresse mémoire.

L'utilisation de registres est plus souple que l'utilisation d'une pile ou d'un accumulateur. Par exemple, une fois qu'une donnée est chargée dans un registre, on peut la réutiliser autant de fois qu'on veut tant qu'on ne l'a pas effacée. Avec une pile, cette donnée aurait été automatiquement effacée, dépilée, après utilisation.

De manière générale, le nombre total d'accès à la mémoire diminue fortement comparé aux machines à pile, grâce à une utilisation plus efficace des registres. Cela permet de gagner en performances car les registres sont souvent des mémoires bien plus rapides que la mémoire principale.

Chaque instruction manipulant des registres doit préciser quel registre lire ou écrire. Cette information est placée dans l'instruction et est codée sur quelques bits, réduisant ainsi la code density.

L'exemple A = B + C peut donc être traduit par la séquence :

LOAD  R0, B      ; copie le contenu de l'adresse B dans le registre R0
ADD   R1, R0, C  ; R1 = R0 + C
STORE R1, A      ; stocke la valeur de R1 à l'adresse A

Architecture d'un processeur « registre vers registre ».

Si les instructions ne peuvent avoir que des registres comme opérandes, il faut deux instructions, LOAD et STORE par exemple, pour respectivement charger un registre depuis un emplacement mémoire et stocker le contenu d'un registre à une adresse donnée.

Le nombre de registres est un facteur important.

Les processeurs RISC actuels sont tous de ce type.

Ce genre de machine a une code density légèrement moins bonne que les architectures registre-mémoire. En effet, certaines opérations qui auraient pris une seule instruction sur une machine registre-mémoire vont utiliser plusieurs instructions sur une machine registre-registre. Par exemple, la séquence A = B + C sera traduite en :

LOAD  R0, B       ; charge B dans le registre R0
LOAD  R1, C       ; charge C dans le registre R1
ADD   R2, R0, R1  ; R2 ← R0 + R1
STORE R2, A       ; stocke R2 à l'adresse A

Ce qui prend une instruction de plus.

En revanche, le nombre d'accès mémoire ou la réutilisation des registres ne change pas comparé aux machines registres-mémoire.

L'avantage des machines registres-registre est leur simplicité. Leurs instructions sont assez simples, ce qui fait que leur implémentation par le processeur est aisée. Cela vient du fait qu'un processeur est composé de circuits indépendants, chacun spécialisé dans certaines opérations : l'ALU est spécialisée dans les calculs, les registres dans le stockage des données, les circuits de communication avec la mémoire sont spécialisés dans les transferts de données, etc. Nos instructions sont exécutées en enchainant une série d'étapes élémentaires, chacune impliquant un ou plusieurs circuits du processeur. Avec des instructions complexes qu'on trouve dans les machines registre-mémoire, le processeur doit enchainer un grand nombre d'étapes, ce qui complexifie la conception du processeur : l'utilisation de micro-code devient la règle. Avec les machines registre-registre, les instructions sont souvent composées d'un faible nombre d'opérations élémentaire et leur enchainement par le processeur est simple à réaliser.

Architecture d'un processeur « mémoire vers mémoire ».

Tous les opérandes d'une instruction sont des adresses mémoire. Le processeur n'a pas de registres pour stocker des opérandes d'instructions. En conséquence, toutes les instructions vont devoir effectuer des accès à la mémoire.

C'est par exemple le cas pour le superordinateur vectoriel CDC Cyber 205. Cette machine était le concurrent du Cray-1 qui lui devait charger les vecteurs dans des registres préalablement à chaque calcul. Le VAX de DEC peut aussi être programmé de cette façon. Dans le même genre, presque toutes les architectures dataflow fonctionnent sur ce principe.

L'expression A = B + C :

ADD A, B, C ; Stocke a l'adresse A la somme B + C

De nos jours, vu que la mémoire est très lente comparé au processeur, ces architectures sont tombées en désuétude. Les architectures contenant des registres sont privilégiées, vu que ces dernières accèdent moins à la mémoire : elles sont capables de stocker des résultats intermédiaires de calcul dans les registres, diminuant ainsi le nombre d'accès mémoire.

Les instructions d'une architecture "mémoire - mémoire" sont souvent assez longues, car les adresses des opérandes sont encodées dans l'instruction. Cela réduit la code density.

Les processeurs CISC embarquent un maximum d'instructions souvent très complexes mais prenant plusieurs cycles d'horloge. Leurs instructions gèrent aussi un grand nombre de modes d'adressage.

Le jeu d'instructions x86 (CISC) équipe tous les processeurs compatibles avec l'architecture Intel (qu'ils soient construits par Intel, AMD ou Cyrix). Il a reçu plusieurs extensions dont le passage à une architecture 64 bits, AMD64 (appelé plus génériquement x86-64).

Parmi les processeurs CISC notables, on peut citer, en plus du x86, Zilog Z80 et 6502, qui à eux seuls ont équipé la grande majorité des micro-ordinateurs 8 bits. La famille 680x0, qui a équipé différents micro-ordinateurs 16/32, puis 32 bits de la fin des années 80 aux années 1990, dont l'Amiga, l'Atari ST, l'Apple Macintosh ou le NeXTcube.

• VAX ;

Le M16C de Mitsubishi est un des rares microcontrôleurs à utiliser un jeu d'instructions CISC.

À l'opposé, les processeurs RISC ont un jeu d'instructions plus réduit mais chaque instruction est codée simplement et n'utilise que quelques cycles d'horloge. Toutes ses instructions sont de la classe « registre-registre ».

Il existe de nombreuses familles de processeurs RISC :

• PowerPC ;
• SPARC ;
• ARM ;
• Alpha ;
• MIPS ;
• RISC-V.

De nombreuses autres architectures existent, particulièrement pour des systèmes embarqués ou des microcontrôleurs.