Cours 1 - Laure

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Architecture Logicielle et matérielle
Cours 1 : Introduction
D’après les transparents de N. Louvet
(Univ Lyon1 - LIF6 printemps)
Laure Gonnord
http://laure.gonnord.org/pro/teaching/
[email protected]
Licence d’info - Université Lyon 1 - FST
Plan
1
Organisation de l’ordinateur par niveaux
2
Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
1945-1955 : les tubes électroniques
1955-1965 : les transistors
1965-1980 : les circuits intégrés
1980– : le VLSI
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
3
Conclusion
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ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction
2014
2 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
1
Organisation de l’ordinateur par niveaux
2
Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
3
Conclusion
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3 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Un ordinateur ?
Une machine conçue pour acquérir, stocker, traiter et restituer
des données : données numériques, textes, sons, images. . .
I Comment lui “parler” ?
Un programme est une suite (séquence) d’instructions qui
décrit la réalisation d’un certain traitement.
I Oui, mais sous quelle forme ?
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4 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Languages
Notion d’instruction (en nombre fini restreint) :
additionner deux nombres,
tester l’égalité d’un nombre à zéro,
copier des données d’une zone mémoire à une autre, . . .
I Un ensemble d’instructions forme un langage
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5 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Oui, mais !
int main (){
printf("Hello!\n");
return 0;
}
<—>
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6 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Abstraction/Langage de programmation
Solution : organisation par niveaux de l’ordinateur
L’ordinateur est organisé par niveaux :
niveau 5
langages de haut niveau
niveau 4
langage d’assemblage
compilateur
assembleur
niveau 3
systeme d’exploitation
niveau 2
architecture
niveau 1
micro−architecture
niveau 0
circuits logiques
primitives
I Chaque niveau a un niveau de détail différent.
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7 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Niveau 0 : circuits logiques
Warning
En dessous du circuit logique il y a encore un monde
électronique et physique
Les traitement de données élémentaires sont effectuées par
des portes logiques.
Vcc
V1 V2 Vs
0 0 1
0 1 0
V1
V2
1 0 0
1 1 0
I Ces portes manipulent des données en binaire.
Vs
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8 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Niveau 1 : micro-architecture
Avec les portes logiques, on peut construire des briques de
base plus évoluées :
Des briques pour calculer (ALU)
Des briques pour contrôler (ordre d’exécution,. . . ).
Des briques pour communiquer.
I Avec tout cela on obtient un processeur (ou unité centrale
de traitement).
I Le niveau micro-architecture comprend tout le matériel
chargé de l’exécution effective des instructions du langage
machine.
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9 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Micro archi : exemple Intel 8080
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10 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Niveau 2 : architecture
Au niveau architecture, on peut commencer à programmer, il
nous faut donc :
Des informations sur la mémoire : organisation, taille,
nombre de registres. . .
Des informations sur les données : codage, types. . .
Un langage de programmation : le langage machine
Warning
Les instructions du langage machine sont (encore) en
binaire/hexadécimal.
On parle aussi d’ISA pour Instruction Set Architecture.
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11 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Exemple sur LC3
instruction
action
nzp
codage en langage machine
opcode
F
ADD DR,SR1,SR2
DR <- SR1 + SR2
*
E
D
0001
arguments
C
B
A
9
DR
8
7
SR1
6
5
0
4
3
00
2
1
0
SR2
Info
La documentation d’un microprocesseur (ISA) comprend des
pages entières de ce type
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12 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Différence entre micro-architecture et architecture
C’est une question d’abstraction :
Le programmeur a besoin de l’ISA.
La micro-architecture a plus de détails.
Exemple
Architecture IA-32 = ISA commune aux PI, PII, PIII, PIV. par
contre la micro-architecture de ces processeurs a beaucoup
évolué entre le PI et le PIV. I Un programme tournant sur PI
tournera sur PIV
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13 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Niveau 3 : système d’exploitation
Le système d’exploitation est un programme qui introduit un
niveau d’abstraction entre le programmeur (ou plus
généralement l’utilisateur d’une machine), et le matériel :
mécanisme de gestion mémoire
accès aux fichiers
Exemple : Linux
Tourne sur IA-32 (x86, x86-32, i386), IA-32e (x86-64, EM64T,
AMD64), IA-64 (Itanium), PowerPC, malgré des architectures
différentes.
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14 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Niveau 4 : langage d’assemblage
Langage intermédiaire :
Instructions lisibles (vs suites de bits).
Interaction avec le système d’exploitation.
I La traduction vers les niveaux 3 et 4 est faite par un
programme appelé assembleur.
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15 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Exemple sur LC3 - le retour
instruction
action
nzp
codage en langage machine
opcode
F
ADD DR,SR1,SR2
DR <- SR1 + SR2
*
E
D
0001
arguments
C
B
A
9
DR
8
7
6
SR1
5
0
4
3
00
2
1
0
SR2
I à ce stade on peut enfin écrire ADD R1,R1,1.
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16 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Niveau 5 : langage de programmation
Langages qui font (plus ou moins) abstraction des
problématiques système ou mémoire : par exemple C, C++,
OCaml. . .
I Traduction vers 3 et 4 par des compilateurs (gcc, clang, . . . )
I à ce stade on peut enfin écrire x=x+1;.
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17 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Exemple illustratif
En C :
#include <stdio.h>
char car;
int main(void) {
printf("Hi!\n");
// appel à une primitive de l'OS
printf("Entrez un caractere...\n");
car = getchar();
// appel à une primitive de l'OS
printf("Vous avez entre : ");
putchar(car);
// appel à une primitive de l'OS
putchar('\n');
printf("Bye!\n");
return(0);
}
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18 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Exemple illustratif
Après compilation (LC3 compiler)
LEA R0,msg0
TRAP x22
LEA R0,msg1
TRAP x22
TRAP x20
;
;
;
;
;
charge l'adresse effective désignée par msg0 dans R0
affiche la chaine pointée par R0
affiche la chaine à l'adresse msg1
lit un caractère et le place dans R0
[...]
car:
msg0:
msg1:
msg2:
msg3:
ret:
TRAP x22
TRAP x25
.BLKW #1
.STRINGZ
.STRINGZ
.STRINGZ
.STRINGZ
.STRINGZ
; affiche la chaine à l'adresse msg3
; termine le programme (rend la main à l'OS)
; case mémoire pour stocker un caractère lu
"Hi!\n"
"Entrez un caractere...\n"
"Vous avez entre : "
"Bye!\n"
"\n"
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18 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Exemple illustratif
Après assemblage !
E00F F022 E012 F022 F020 3009 E026 F022 2006 ...
On a la correspondance suivante pour chaque instruction :
langage
langage
machine d'assemblage
xE00F
xF022
xE012
xF022
xF020
x3009
xE026
xF022
x2006
...
LEA R0,msg0
TRAP x22
LEA R0,msg1
TRAP x22
TRAP x20
ST R0,car
LEA R0,msg2
TRAP x22
LD R0,car
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18 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
À retenir de cette partie
Les différents niveaux d’abstraction d’un ordinateur.
Le rapport entre niveau d’abstraction et langage.
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19 / 47 Organisation de l’ordinateur par niveaux
Objectifs de LIF6
Dans ce cours :
Vue d’ensemble de l’ordinateur.
Construction d’un ordinateur” en partant des portes
logiques pour remonter jusqu’au langage d’assemblage.
(Bonus) Le lien avec la compilation.
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20 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1
Organisation de l’ordinateur par niveaux
2
Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
1945-1955 : les tubes électroniques
1955-1965 : les transistors
1965-1980 : les circuits intégrés
1980– : le VLSI
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
3
Conclusion
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21 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
1
Organisation de l’ordinateur par niveaux
2
Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
1945-1955 : les tubes électroniques
1955-1965 : les transistors
1965-1980 : les circuits intégrés
1980– : le VLSI
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
3
Conclusion
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22 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
La préhistoire. . . 1/2
Premiers moyens de calcul purement manuels : systèmes de
numération.
Moyen de calcul mécaniques :
La machine de Pascal (1623-1662) : additions et
soustractions en décimal.
La machine de Liebniz (1646-1716) : multiplications et
divisions en décimal.
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23 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
La machine analytique de
Babbage (1792-1871) : première
machine capable de lire des
instructions sur des cartes
perforées, et disposant d’une
mémoire. Considérée comme le
premier ordinateur.
Le développement de calculateurs mécaniques se poursuivra
jusqu’au XXe siècle.
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24 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
Machines électromécaniques 1/2
Au début du XXe siècle, se développent des machines
électromécaniques basées sur l’utilisation de relais
électromécaniques.
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25 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
Machines électromécaniques 1/2
Citons par exemple :
Les machines construites en Allemagne par Konrad Zuse
entre 1930 et 1944 : apparition du calcul binaire.
Le Mark I, construit à Harvard (Cambridge, MA) en 1944
sous l’impulsion d’Aiken. Le Mark I possédait 72 mots de
23 chiffres décimaux, et le temps d’exécution d’une
instruction était de 6 secondes.
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26 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1945-1955 : les tubes électroniques
1
Organisation de l’ordinateur par niveaux
2
Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
1945-1955 : les tubes électroniques
1955-1965 : les transistors
1965-1980 : les circuits intégrés
1980– : le VLSI
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
3
Conclusion
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27 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1945-1955 : les tubes électroniques
1945-1955 : les tubes électroniques
Principe du tube triode : l’intensité du courant circulant entre
l’anode et la cathode dépend de la tension de la grille.
lampe triode
vide
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anode +
grille
cathode −
e−
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28 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1945-1955 : les tubes électroniques
1945-1955 : les tubes électroniques (suite)
Citons les machines suivantes :
Le COLOSSUS, développé par les Britanniques, et
opérationnel dès 1943.
L’ENIAC, à Philadelphie, achevé en
1946 :
utilisait 18000 tubes à vides, 1500
relais,
pesait 30 T, et consommait 140 kW,
comportait 20 registres de 10 chiffres
décimaux.
L’ENIAC restait un gros calculateur électronique : le programme
était entré manuellement en utilisant 6000 commutateurs
multipositions. . .
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29 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1945-1955 : les tubes électroniques
Modèle de Von Neumann
Dans les années 1950, John von Neumann développe, toujours
en partant de la technologie des tubes électroniques, le premier
ordinateur au sens moderne du terme. Il décrit notamment le
modèle suivant, appelé modèle de Von Neumann :
Une mémoire centrale contient à la fois les données et les
programmes.
Une unité centrale de traitement (UCT), qui comporte
l’unité arithmétique et logique (UAL) qui effectue les
opérations en binaire.
l’unité de contrôle (UC) qui interprète les instructions des
programmes, et provoque leur exécution.
Les entrées/sorties (E/S) sont gérées par l’unité centrale
de traitement.
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30 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1945-1955 : les tubes électroniques
Modèle de Von Neumann A RETENIR
Mémoire centrale
Unité de contrôle
Unité de calcul
Sorties
Entrées
Unité centrale de traitement
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31 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1945-1955 : les tubes électroniques
Les travaux de von Neumann aboutissent à le construction de
l’IAS computer au Princeton Institute for Advanced Studies (NJ,
USA), opérationnel en 1952.
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32 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1955-1965 : les transistors
1
Organisation de l’ordinateur par niveaux
2
Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
1945-1955 : les tubes électroniques
1955-1965 : les transistors
1965-1980 : les circuits intégrés
1980– : le VLSI
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
3
Conclusion
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33 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1955-1965 : les transistors
1955-1965 : les transistors
Le transistor a été inventé en 1948 dans les laboratoires Bell
Labs (NJ) par Bardeen, Brattain et Shockley (prix Nobel en
1956).
I Même role que le tube mais plus petit plus fiable plus
économe
Les transistors sont fabriqués à base de matériaux
semi-conducteurs, obtenus en modifiant les caractéristiques
d’un substrat, généralement le silicium.
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34 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1955-1965 : les transistors
Ordinateur IBM
IBM lança le 7094 en 1964 : il possédait 32536 mots de 36 bits,
et exécutait ses instructions en 2 µs.
Programmation en FORTRAN ou COBOL.
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35 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1965-1980 : les circuits intégrés
1
Organisation de l’ordinateur par niveaux
2
Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
1945-1955 : les tubes électroniques
1955-1965 : les transistors
1965-1980 : les circuits intégrés
1980– : le VLSI
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
3
Conclusion
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36 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1965-1980 : les circuits intégrés
1965-1980 : les circuits intégrés
En 1958, Jack Kilby propose un procédé permettant de graver de nombreux transistors sur
un même plaque de silicium, et crée le premier
circuit intégré (prix Nobel en 2000).
Cela va permettre d’intégrer de quelques dizaines à quelques
milliers de transistors par puce, d’où des ordinateurs moins
encombrants et plus rapides.
Citons les System/360 d’IBM :
Modèle
30
40
50
65
Sortie
1970
1977
1977
1977
Temps de cycle
1000 ns
625 ns
500 ns
250 ns
Mémoire max.
65536 o
262144 o
262144 o
524288 o
En 1971, le 4004 d’Intel est le premier microprocesseur
commercialisé : processeur 4 bits, cycle de 10.6 µs, 2300
transistors sur 10 mm2 .
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37 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1980– : le VLSI
1
Organisation de l’ordinateur par niveaux
2
Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
1945-1955 : les tubes électroniques
1955-1965 : les transistors
1965-1980 : les circuits intégrés
1980– : le VLSI
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
3
Conclusion
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38 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1980– : le VLSI
1980– : Very Large Scale Integration (VLSI)
En 1965, Gordon Moore (l’un des fondateurs d’Intel) observait
que le nombre de transistors que l’on pouvait intégrer sur puce
avec la technologie la plus économique doublait environ tous
les 18 mois : loi de Moore.
nombre de transistors par puce
11
10
x2 tous les 18 mois
10
10
9
progression effective
10
Itanium 2
Itanium 2
8
10
Pentium 4 HT
Pentium 4
Itanium
Pentium 3
7
10
Pentium 2
Pentium Pro
Pentium
6
10
80486
80386
5
10
80286
8080
4
10
3
4004
10
1970
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1975
1980
1985
1990
1995
2000
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2005
2010
2014
39 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
1980– : le VLSI
VLSI
A partir de 1980, la technologie dite CMOS (Complementary
Metal Oxyde Semiconductor) se généralise : il devient possible
d’intégrer des centaines de milliers de transistors par puce. On
parle de Very Large Scale Integration (VLSI).
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40 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
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2
Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
La préhistoire. . .
1945-1955 : les tubes électroniques
1955-1965 : les transistors
1965-1980 : les circuits intégrés
1980– : le VLSI
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
3
Conclusion
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41 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
En 2003 : 1018 (soit +100millions/homme).
type d’ordinateur
« Super-ordinateurs »
Mainframes
Grappes de calcul
Serveurs
Micro-ordinateurs
Processeurs embarqués
Microcontrôleurs
Puces « jetables »
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prix =C
150 M
5M
50-500 K
5K
200-1000
< 200
5
< 0.5
exemple d’utilisation
simulation physique de grande ampleur
traitement des données dans les banques
simulation physique
serveurs réseau
ordinateur de bureau, portables
téléphones portables, smartphones. . .
dans les appareils électroménagers !
cartes banquaires, RFID
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42 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
Un exemple de super-calculateur : Roadrunner (2008)
Roadrunner est le premier super-calculateur à avoir dépassé la
puissance de 1 PFlop/s. Le Flop/s est une unité mesurant le
nombre d’opérations en arithmétique flottante effectuée par
seconde. Roadrunner appartient au Département de l’énergie
US, à Los Alamos, NM.
Le Roadrunner a été construit par IBM :
budget final de 133 millions de dollars,
6 480 dual core Opteron d’AMD,
12 960 processeurs Cell d’IBM.
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43 / 47 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui
Roadrunner (2008) - 2/2
La performance maximale atteinte par le Roadrunner sur les
benchmark LINPACK est de 1.042 PFlop/s 1 . A titre de
comparaison :
Pentium 4 (SSE3, 3.6 GHz) : 7.2 GFlops/s
Cell d’IBM (3.2 GHz) : 9.46 GFlops/s.
1. TOP500 : http://www.top500.org
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44 / 47 Conclusion
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2
Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur
3
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2014
45 / 47 Conclusion
Conclusion de cette partie - Motivation
Après 60 ans d’évolution, les ordinateurs permettent de couvrir
un très large spectre d’applications, et certains offrent une
puissance de calcul considérable.
Question
Pourquoi donc étudier l’architecture des ordinateurs ?
Inutile : les langages de programmation nous offrent le bon
niveau d’abstraction.
En fait, non : le programmeur doit être capable de
comprendre et d’exploiter les (nouvelles) caractéristiques
de sa machine afin de concevoir des programmes plus
performants.
Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1)
ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction
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Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1)
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