Fonctionnement d'un ordinateur/Les timers et diviseurs de fréquence

Les compteurs servent à créer divers circuits fortement liés la gestion de la fréquence, ainsi qu'à la mesure du temps. Les circuits en question comptent les cycles d'horloge, ce qui demande juste des compteurs automatiquement incrémentés à chaque cycle d'horloge. Compter les cycles d'horloge permet de mesurer des durées, ou de diviser une fréquence. Dans ce qui va suivre, nous allons voire deux types de circuits : les diviseurs de fréquence, et les timers.

Les diviseurs de fréquence

Les diviseurs de fréquence sont des circuits qui prennent en entrée un signal d'horloge et fournissent en sortie un autre signal d'horloge de fréquence N fois plus faible. Plus précisément, la fréquence de sortie est 2, 3, 4, ou 18 fois plus faible que la fréquence d'entrée. Il existe des diviseurs de fréquence qui divisent la fréquence par 2, d'autres par 4, d'autres par 13, etc.

Les diviseurs de fréquence basés sur des compteurs

Leur implémentation est simple : il suffit d'un compteur auquel on rajoute une sortie. Pour un diviseur de fréquence par N, il faut plus précisément un compteur modulo par N. Tous les N cycles, le compteur déborde, à savoir qu'il dépasse sa valeur maximale et est remis à zéro. Une sortie du compteur indique si le compteur déborde : elle est mise à 1 lors d'un débordement et reste à 0 sinon. L'idée est de compter le nombre de cycles d'horloges, et de mettre à 1 la sortie quand le compteur déborde.

Par exemple, pour diviser une fréquence par 8, on prend un compteur 3 bits. A chaque fois que le compteur déborde et est réinitialisé, on envoie un 1 en sortie. Le résultat est un signal qui est à 1 tous les 8 cycles d'horloge, à savoir un signal de fréquence 8 fois inférieure. La même idée marche avec un diviseur de fréquence par 6, sauf que l'on doit alors utiliser un compteur modulo par 6, ce qui veut dire qu'il compte de 0 à 5 comme suit : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 0, 1, 2, ... Le compteur déborde tous les 6 cycles d’horloge, ce qui fait que sa sortie de débordement est à 1 tous les 6 cycles, ce qui est demandé.

Si n'importe quel compteur fait l'affaire, il est cependant utile d'utiliser les compteurs les plus adaptés à la tâche. Il est rare que l'on doive diviser une fréquence par 50 ou par 100, par exemple. Un diviseur de fréquence divise une fréquence par N, avec N très petit : 4, 6, 8, 10, 12, etc. Or, les compteurs en anneau, sont particulièrement adaptés pour compter jusqu'à des valeurs assez faibles. Il est donc naturel d'utiliser un compteur en anneau dans un diviseur de fréquence. Le circuit obtenu est beaucoup plus simple qu’avec un compteur normal. Et c'est la raison pour laquelle les diviseurs de fréquence sont souvent conçus en utilisant des compteurs one-hot. Plus on divise une fréquence par un N très petit, plus les compteurs auront d'avantages : très simples, demandent peu de portes logiques, sont très rapides, prennent peu de place, permettent de se passer de circuit comparateur.

Les diviseurs de fréquence basés sur des compteurs à bascule T

Il est aussi possible de concevoir des diviseurs de fréquence avec des bascules T. La seule contrainte est qu'il faut diviser la fréquence d'entrée par une puissance de deux. Le cas le plus simple divise par 2 la fréquence d'entrée et ne demande qu'une simple bascule T. En effet, regardons ce qui se passe quand on envoie un signal constamment à 1 sur son entrée T. Dans ce cas, la bascule s'inversera une fois par chaque cycle d'horloge. Un cycle d'horloge sur la sortie correspond au temps passé entre deux inversions.

Pour créer un diviseur de fréquence par 4, il suffit d'enchainer deux fois le circuit précédent. Et pour créer un diviseur de fréquence par 8, il suffit d'enchainer trois fois le circuit précédent. Et ainsi de suite. Au final, un diviseur de fréquence qui divise la fréquence d'entrée par 2^N est un enchainement de N bascules T.

On peut en profiter pour créer un circuit à plusieurs sorties, en mettant une sortie par bascule. Le circuit, illustré ci-dessous, fournit donc plusieurs fréquences de sortie : une à la moitié de la fréquence initiale, une autre au quart de la fréquence d'entrée, une autre au huitième, etc.

Les timers

Les timers, aussi appelés Programmable interval timer, sont des circuits capables de compter des durées, exprimées en cycles d'horloge. Leur fonctionnement est assez simple : ils émettent un signal quand un certain nombre de cycles est écoulé, ce nombre de cycles étant configurable. On peut ainsi générer un signal qui surviendra après 50 cycles d'horloge, ou après 100 cycles d'horloge, etc. Le signal en question est disponible sur une sortie de 1 bit, et correspond tout simplement au fait que cette sortie est mise à 1, pendant un cycle d'horloge.

Les timers sont composés d'un compteur/décompteur cadencé par un signal d'horloge. Le compteur initialisé à 0, puis est incrémenté à chaque signal d'horloge, jusqu’à atteinte d'une valeur limite où il génère un signal. Pour un décompteur, c'est la même chose, sauf que le décompteur est initialisé à sa valeur limite et est décrémenté à chaque cycle, et envoie un signal quand il atteint 0. Les timers basés sur des décompteurs sont nettement plus simples que les autres, ce qui fait qu'ils sont plus utilisés Pour que les timers soient configurables, on doit pouvoir préciser combien de cycles il faut (dé-)compter avant d'émettre un signal. On peut ainsi préciser s'il faut émettre le signal après 32 cycles d'horloge, après les 50 cycles, tous les 129 cycles, etc. Le nombre de cycles en question est envoyé sur une entrée d’initialisation du compteur.

Les timers matériels peuvent compter de deux manières différentes, appelées mode une fois et mode périodique.

En mode une fois, le timer s'arrête une fois qu'il a atteint la limite configurée. On doit le réinitialiser manuellement, par l'intermédiaire du logiciel, pour l'utiliser une nouvelle fois. Cela permet de compter une certaine durée, exprimée en nombre de cycles d'horloge.
En mode périodique, le timer se réinitialise automatiquement avec la valeur de départ, ce qui fait qu'il reboucle à l'infini. En clair, le timer se comporte comme un diviseur de fréquence. Si le compteur est réglé de manière à émettre un signal tous les 9 cycles d'horloge, la fréquence de sortie sera de 9 fois moins celle de la fréquence d'entrée du compteur.

Un ordinateur est rempli de timers divers. Dans ce qui va suivre, nous allons voir les principaux timers, qui sont actuellement intégrés dans les PC modernes. Ils se trouvent sur la carte mère ou dans le processeur, tout dépend du timer.

Le watchdog timer

Le watchdog timer est un timer spécifique dont le but est de redémarrer automatiquement l'ordinateur si jamais celui-ci ne répond plus ou plante. Beaucoup de PC s'en passent, mais ce timer est très fréquent dans les architectures embarquées. Le watchdog timer est un compteur/décompteur qui doit être réinitialisé régulièrement. S'il n'est pas réinitialisé, le watchdog timer déborde (revient à 0 ou atteint 0) et envoie un signal qui redémarre le système. Le système est conçu pour réinitialiser le watchdog timer régulièrement, ce qui signifie que le système n'est pas censé redémarrer. Si jamais le système dysfonctionne gravement, le système ne pourra pas réinitialiser le watchdog timer et le système est redémarré automatiquement ou mis en arrêt.

Le Time Stamp Counter des processeurs x86

Tous les processeurs des PC actuels sont des processeurs dits x86. Nous ne pouvons pas expliquer ce que cela signifie pour le moment, retenez juste ce terme. Sachez que tous les processeurs x86 contiennent un compteur de 64 bits, appelé le Time Stamp Counter, qui mémorise le nombre de cycles d'horloge qu'a effectué le processeur depuis son démarrage. Les programmes peuvent accéder à ce registre assez facilement, ce qui est utile pour faire des mesures ou comparer les performances de deux applications. Il permet de compter combien de cycles d'horloge met un morceau de code à s’exécuter, combien de cycles prend une instruction à s’exécuter, etc. Les processeurs non-x86 ont un registre équivalent, que ce soit les processeurs ARM ou d'autres.

Malheureusement, ce compteur est tombé en désuétude pour tout un tas de raisons. La principale est que les processeurs actuels font varier leur fréquence suivant les besoins. Ils augmentent leur fréquence quand on leur demande de faire beaucoup de calculs, et se mettent en mode basse(fréquence pour économiser de l'énergie si on ne leur demande pas grand chose. Avec une fréquence variable, le Time Stamp Counter perd complétement en fiabilité. Intel a tenté de corriger ce défaut en incrémentant ce registre à une fréquence constante, différente de celle du processeur, ce qui est encore le cas sur les processeurs Intel actuels. Le comportement est un peu différent sur les processeurs AMD, qui cadencent ce timer à la fréquence du processeur mais utilisent des mécanismes de synchronisation assez complexes pour corriger l'effet de la fréquence variable.

L'horloge temps réel

L'horloge temps réel est un timer qui génère une fréquence de 1024 Hz, soit près d'un Kilohertz. Dans ce qui suit, nous la noterons RTC, ce qui est l'acronyme du terme anglais Real Time Clock. La RTC prend en entrée un signal d'horloge de 32KHz, généré par un oscillateur à Quartz, et fournit en sortie un signal de fréquence 32 fois plus faible, c'est à dire de 1 KHz. Pour cela, elle est réglée en mode répétitif et son décompteur interne est initialisé à 32. La RTC génère donc un signal toutes les millisecondes, qui est envoyé au processeur. On peut, en théorie, changer la fréquence de la RTC, mais c'est rarement une bonne idée.

En théorie, la RTC permet de compter des durées assez courtes, comme le ping (le temps de latence d'un réseau, pour simplifier), le temps de rafraichissement de l'écran, ou bien d'autres choses. Mais dans les faits, l'horloge temps réel sa fréquence n'aide pas : 1024 Hz est proche de 1000, mais pas assez pour faire des mesures à la milliseconde près, chose qui est nécessaire pour mesurer le ping ou d'autres choses utiles. A la place, l'ordinateur l'utilise pour que l'ordinateur soit toujours à l'heure. L'ordinateur sait quelle heure il est avec une précision de l'ordre de la seconde (vous pouvez regarder le bureau de Windows dans le coin inférieur droite de votre écran pour vous en convaincre).

Le Programmable Interval Timer : l'Intel 8253

L'Intel 8253 était un timer programmable autrefois soudé sur les cartes mères des premiers PC. Il fût suivi par l'Intel 8254, qui en était une légère amélioration. Il était cadencé par une horloge maitre, générée par un oscillateur à Quartz, dont la fréquence est de 32 768 Hertz, soit 2^15 cycles d'horloge par seconde. S'il n'est plus présent dans un boitier sur la carte mère, on trouve toujours un circuit semblable au 8253 à l'intérieur du chipset de la carte mère, voire à l'intérieur du processeur, pour des raisons de compatibilité. L'intérieur de l'Intel 8253 est illustré ci-dessous. Nous allons expliquer l'ensemble de ce schéma, rassurez-vous, mais les explications seront plus simples à comprendre si vous survolez ce schéma en premier lieu.

L'Intel 8253 contient trois compteurs de 16 bits, numérotés 0, 1 et 2. Pour chaque compteur, l'entrée CLOCK est celle de l'horloge de 32 MHz, l'entrée GATE active ou désactive le compteur, la sortie fournit le signal voulu et/ou la fréquence de sortie. Les trois compteurs étaient utilisés pour dériver plusieurs fréquences allant de 18,2 Hz à environ 500 KHz. Par exemple, il était utilisé par défaut pour le rafraichissement de la mémoire (D)RAM, mais il était souvent reprogrammé pour servir à générer des fréquences spécifiques par le BIOS ou la carte graphique.

L'Intel 8253 lui-même possède plusieurs entrées et sorties. En premier lieu, on voit un port de 8 bits connecté aux trois compteurs, qui permet à l'Intel 8253 de communiquer avec le reste de l'ordinateur. La communication se fait dans les deux sens : soit de l'ordinateur vers les compteurs, soit des compteurs vers l'ordinateur. Dans le sens ordinateur -> compteurs, cela permet à l'ordinateur de programmer les compteurs, de les initialiser. Dans l'autre sens, cela permet de récupérer le contenu des compteurs, même si ce n'est pas très utilisé. Il y a aussi 5 entrées de configuration :

Deux bits A0 et A1 pour sélectionner le compteur voulu avec son numéro.
Un bit RD à mettre à 0 pour que l'ordinateur récupère le compteur sélectionné sur le port de 8 bits.
Un bit WR à mettre à 0 pour que l'ordinateur modifie le compteur sélectionné, en envoyant le nombre pour l'initialisation sur le port de 8 bits.
Un bit CS qui active ou désactive l'Intel 8253 et permet de l'allumer ou de l’éteindre.

L'Intel 8253 intégre un registre de 8 bits, le Control Word register qui mémorise la configuration de l'Intel 8253. Pour programmer les trois compteurs, il faut écrire un mot de 8 bits dans ce Control Word register. Pour écrire dans le Control Word register, il faut mettre le bit CS à 0 (on active l'Intel 8253), mettre le bit RDà 1 , le bit WR à 0 le bit WR (on indique qu'on fait une écriture), sélectionner le Control Word register en mettant les deux bits A0 et A1 à 1, puis envoyer la configuration du Control Word register sur le port de 8 bits.

Le High Precision Event Timer (HPET)

De nos jours, l'horloge temps réel et l'Intel 8253/8254 tendent à être remplacé par un autre timer, le High Precision Event Timer (HPET). Il s'agit d'un compteur de 64 bits, dont la fréquence est d'au moins 10 MHz. Il s'agit bien d'un compteur et non d'un décompteur. Il gère nativement plusieurs valeurs limites à laquelle générer un signal, qui sont configurables. Pour cela, il est couplé à plusieurs comparateurs, chacun associé à un registre pour mémoriser la valeur limite. Il doit y avoir au moins trois comparateurs/registres, mais le nombre peut monter jusqu’à 256.

Il faut noter que les systèmes d'exploitation conçus avant le HPET ne peuvent pas l'utiliser, pour des raisons de compatibilité matérielle. C'est le cas de Windows XP avant le Service Pack 3. C'est la raison pour laquelle les cartes mères émulent RTC et PIT dans leurs circuits. D'ailleurs, pour économiser des circuits, les cartes mères modernes émulent le PIT et la RTC avec le HPET : le premier comparateur fournisse la fréquence de 1024 Hz de la RTC, 3 autres comparateurs remplacent l'Intel 8253.

Le HPET gère de nombreux modes de fonctionnement : ses comparateurs peuvent être configuré en mode une fois ou périodique, on peut lui demander d'émuler la RTC et le PIT, etc. Chaque comparateur doit pouvoir fonctionner en mode une fois, et au moins un comparateur doit pouvoir fonctionner en mode périodique. Aussi, il contient aussi 3 registres de configuration. Notons qu'il est aussi possible de lire ou écrire dans le compteur de 64 bits, mais ce n'est pas recommandé.

La génération de nombres pseudo-aléatoires

Les compteurs peuvent aussi être utilisés pour générer des nombres "aléatoires". Je dis aléatoires entre guillemets car ils ne sont pas vraiment aléatoires, mais s'en rapprochent suffisamment pour être considérés comme tels. Pour mettre en avant cela, on parle aussi de nombres "pseudo-aléatoires". De nombreuses situations demandent de générer des nombres pseudo-aléatoire de manière matérielle. Cela peut servir pour sélectionner une ligne de cache à remplacer lors d'un défaut de cache, pour implémenter des circuits cryptographiques, pour calculer la durée d'émission sur un bus Ethernet à la suite d'une collision, et j'en passe.

Les méthodes que nous allons voir produisent un nombre pseudo-aléatoire un bit à la fois, à quelques exceptions près. Les circuits que nous allons voir fournissent un bit sur leur sortie et ce bit varie de manière assez aléatoire. Les bits en sortie du circuit sont accumulés dans un registre à décalage normal, pour former un nombre aléatoire. Nous appellerons ce registre : l'accumulateur.

L'usage de registres à décalage à rétroaction

La première solution utilise des registres à décalages à rétroaction, les fameux LSFR du chapitre précédent. Un LSFR seul ne fournit pas un aléatoire digne de ce nom, mais il est possible de combiner plusieurs LSFR pour obtenir une meilleure approximation de l'aléatoire. Avec cette technique, plusieurs registres à décalages à rétroaction sont reliés à un circuit combinatoire non-linéaire. Ce circuit prendra en entrée un (ou plusieurs) bit de chaque registre à décalage à rétroaction, et combinera ces bits pour fournir un bit de sortie.

Pour rendre le tout encore plus aléatoire, il est possible de cadencer les LSFR à des fréquences différentes. Cette technique est utilisée dans les générateurs stop-and-go, alternative step, et à shrinking.

Le générateur alternative step utilise trois LSFR. Le premier commande un multiplexeur qui choisit la sortie parmi les deux restants.
Le générateur stop-and-go utilise deux LSFR. Le premier est relié à l'entrée d'horloge du second et le bit de sortie du second est utilisé comme résultat. Une technique similaire était utilisée dans les processeurs VIA C3, pour l'implémentation de leurs instructions cryptographiques.
Le shrinking generator utilise deux LSFR cadencés à des vitesses différentes. Si le bit de sortie du premier vaut 1, alors le bit de sortie du second est utilisé comme résultat. Par contre, si le bit de sortie du premier vaut 0, aucun bit n'est fourni en sortie, le bit de sortie du second registre est oublié.

L'aléatoire généré par des timers ou des compteurs d'horloge

Au-delà des LSFR, il est possible d'utiliser des compteurs pour générer du pseudo-aléatoire. Par exemple, une technique très simple utilise un simple timer. Si on a besoin d'un nombre pseudo-aléatoire, il suffit de lire le timer et d'utiliser le nombre lu comme nombre pseudo-aléatoire. Si le délai entre deux demandes est irrégulier, le résultat semblera aléatoire. Mais il s'agit là d'une technique assez peu fiable dans le monde réel et seules quelques applications bien spécifiques se satisfont de cette méthode.

Une solution un peu plus fiable utilise ce qu'on appelle la dérive de l'horloge. Il faut savoir qu'un signal d'horloge n'est jamais vraiment très précis. Une horloge censée tourner à 1 Ghz ne tournera pas en permanence à 1Ghz exactement, mais verra sa fréquence varier de quelques Hz ou Khz de manière irrégulière. Ces variations peuvent venir de variations aléatoires de température, des variations de tension, des perturbations électromagnétiques, ou à des phénomènes assez compliqués qui peuvent se produire dans tout circuit électrique (comme le shot noise).

L'idée la plus simple utilise deux horloges : une horloge lente et une horloge rapide, dont la fréquence est un multiple de l'autre. Par exemple, on peut choisir une fréquence de 1 Mhz et une autre de 100 Hz : la fréquence la plus grande est égale à 10000 fois l'autre. La dérive d'horloge fera son œuvre, les deux horloges seront très légèrement désynchronisées en permanence, et cette désynchronisation peut être utilisée pour produire des nombres aléatoires. Par exemple, on peut compter le nombre de cycles d'horloge produit par l'horloge rapide durant une période de l'horloge lente. Si ce nombre est pair, on produit un bit aléatoire qui vaut 1 , il vaut 0 si ce nombre est pair. Pour information, c'est exactement cette technique qui était utilisée dans l'Intel 82802 Firmware Hub.

L'aléatoire généré par la tension d'alimentation

Il existe d'autres solutions matérielles qui utilisent le bruit thermique. Tous les circuits électroniques de l'univers sont soumis à de microscopiques variations de température, dues à l'agitation thermique des atomes. Plus la température est élevée, plus les atomes qui composent les fils métalliques des circuits s'agitent. Vu que les particules d'un métal contiennent des charges électriques, ces vibrations font naître des variations de tensions assez infimes. Il suffit d'amplifier ces variations pour obtenir un résultat capable de représenter un zéro ou un 1. Ce principe a été utilisé sur des anciens processeurs Intel qui géraient l'instruction RDRAND, une instruction qui produisait un nombre aléatoire.

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