Animateur : Thomas Secrétaire : Julien Intendant : Vincent Scribe
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Animateur : Thomas Secrétaire : Julien Intendant : Vincent Scribe : Fabien H. Retour vers le passé Objectifs : - Connaitre les Grands moments de l’histoire de l’ordinateur (culture G). Connaitre l’architecture et le fonctionnement des ordinateurs. Connaitre les grands noms de l’histoire des ordinateurs. Définitions des mots clés Ordinateur : Un ordinateur est une machine informatique ; elle permet de traiter des informations selon des séquences d'instructions prédéfinies ou programmes. Elle interagit avec l'environnement grâce à des périphériques (écran, clavier, modem...). Semi-conducteur à barrière de potentiel : Ancêtre du transistor. Les semi-conducteurs sont primordiaux en électronique car ils offrent la possibilité de contrôler, par divers moyens, à la fois la quantité de courant électrique susceptible de les traverser et la direction que peut prendre ce courant. Transistor : Le transistor est le composant électronique actif fondamental en électronique utilisé principalement comme interrupteur commandé et pour l'amplification, mais aussi pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que de nombreuses autres utilisations. Compilateur : un compilateur sert le plus souvent à traduire un code source écrit dans un langage de programmation en un autre langage, habituellement un langage d'assemblage ou un langage machine. Le programme en langage machine produit par un compilateur est appelé code objet. Pentium Core 2 Duo : Core 2 est le nom commercial de microprocesseurs x86 basés sur l'Intel Core Architecture. Pascal : (1èeme siècle) Blaise Pascal est un mathématicien et physicien, philosophe, moraliste et théologien français. Il a inventé la Pascaline, machine à calculer (Addition, soustraction)(=> calcul en hexadécimal). Babbage : (18eme siècle) Charles Babbage a été le premier à énoncer le principe de l'ordinateur. Il travailla une grande partie de sa vie à la construction d'un ordinateur mécanique qu'il appelait machine à différences. Turing : (1ère moitié du 20eme siècle) Turing était un mathématicien britannique et est considéré comme un des pères fondateurs de l'informatique moderne. Il est à l'origine de la formalisation des concepts d'algorithme et de calculabilité qui ont profondément marqué cette discipline, avec la machine de Turing. Von Neumann : (1ère moitié du 20eme siècle) Von Neumann a donné son nom à l'architecture de Von Neumann utilisée dans la quasi totalité des ordinateurs modernes. L’architecture de Von Neumann décompose l’ordinateur en 4 parties distinctes : 1. l’unité arithmétique et logique (UAL) ou unité de traitement, qui effectue les opérations de base ; 2. l’unité de contrôle, qui est chargée du séquençage des opérations ; 3. la mémoire, qui contient à la fois les données et le programme qui indique à l’unité de contrôle quels calculs faire sur ces données. La mémoire se divise en mémoire vive (programmes et données en cours de fonctionnement) et mémoire de masse (programmes et données de base de la machine) ; 4. les dispositifs d’entrée-sortie, qui permettent de communiquer avec le monde extérieur. Convecteur temporel : Outil du film « Retour vers le futur » permettant aux sujets de se téléporter dans le temps. John (1er avril, savant ?) : On parle ici de John ATANASOFF (avec Clifford BERRY) qui crée (avec Clifford BERRY) le calculateur binaire ABC. La machine utilise des lampes et comporte une mémoire et des circuits logiques. Ce fût le premier calculateur à système binaire (équations à 29 variables). La mémoire, constituée de 2 tambours et pouvait stocker 60 mots de 50 bits. La machine tournait à 60 Hz et pouvait réaliser une addition en une seconde. Pentium Core2Duo : C’est une erreur de dire pentium Core2Duo, pentium et core2duo ayant une architecture differente. Intel Core2Duo est le dernier née de la gamme Intel. Il embarque 2 cœurs sur une même puce et est basée sur une architecture x86. Comment à évolué l’architecture et le fonctionnement des ordinateurs au fil du temps ? Axes de recherches : Etudier le fonctionnement du processeur Les fonctions du processeur : C’est le processeur qui gère les instructions de base : - Les appels de données - Le calcul des opérations - Les enregistrements des résultats Ces trois instructions de base constituent un processus pendant lequel le processeur va chercher une information, la transforme et l’enregistre. En fait, les deux fonctions principales du processeur sont l’adressage et le calcul. L’adressage consiste pour le processeur à chercher et à restituer de l’information en faisant des allers-retours avec la mémoire RAM. Le calcul correspond au traitement de l’information. La vitesse de traitement d'un processeur est encore parfois exprimée en MIPS (million d'instructions par seconde) ou en Mégaflops (millions de floating-point opérations per second). Pourtant, aujourd'hui, les processeurs sont basés sur différentes architectures et techniques de parallélisassions des traitements qui ne permettent plus de déterminer simplement leurs performances. C'est le processeur qui apporte aux ordinateurs leur capacité fondamentale à être programmés, c'est un des composants nécessaires au fonctionnement de tous les types d'ordinateurs, associés aux mémoires primaires et aux dispositifs d'entrée/sortie. Un processeur construit en un seul circuit intégré est communément nommé microprocesseur. L'invention du transistor en 1947 a ouvert la voie de la miniaturisation des composants électroniques et le terme d'unité centrale (CPU) est utilisé dans l'industrie électronique dès le début des années 1960 (Weik 1961). Depuis le milieu des années 1970, la complexité et la puissance des microprocesseurs n'a cessé d'augmenter au-delà de tous les autres types de processeurs au point qu'aujourd'hui les termes de processeur, microprocesseur ou CPU, s'utilisent de manière indifférenciée pour tous les types de processeurs. Physiquement, de quoi est composé le processeur ? A l’intérieur de tout ceci, nous trouvons les transistors (étudier par la suite). Un processeur possède trois types de bus : - un bus de données, définit la taille des données manipulables (indépendamment de la taille des registres internes) ; - un bus d'adresse définit le nombre de cases mémoire accessibles ; - un bus de commande définit la gestion du processeur IRQ, RESET etc. Logiquement, comment ca se passe ? Principaux éléments : Pipeline : Le pipeline (ou pipelining) est une technologie visant à permettre une plus grande vitesse d'exécution des instructions en parallélisant des étapes. Registre : Lorsque le processeur exécute des instructions, les données sont temporairement stockées dans de petites mémoires rapides de 8, 16, 32 ou 64 bits que l'on appelle registres. Suivant le type de processeur le nombre global de registres peut varier d'une dizaine à plusieurs centaines. On peut programmer les instructions du proc, mais l’apprentissage de ce langage n’est pas vraiment utile dans la mesure où il varie d’une architecture et qu’il est complexe (Langage bas niveau). Un certain nombre de registres sont communs à la plupart des processeurs : - compteur de programme : ce registre contient l’adresse mémoire de l’instruction en cours d’exécution ; - accumulateur : ce registre est utilisé pour stocker les données en cours de traitement par l’UAL ; - registre d’adresses : il contient toujours l’adresse de la prochaine information à lire par l’UAL, soit la suite de l’instruction en cours, soit la prochaine instruction ; - registre d’instructions : il contient l’instruction en cours de traitement ; - registre d’état : il sert à stocker le contexte du processeur, ce qui veut dire que les différents bits de ce registre sont des drapeaux (flags) servant à stocker des informations concernant le résultat de la dernière instruction exécutée ; - pointeurs de pile : ce type de registre, dont le nombre varie en fonction du type de processeur, contient l’adresse du sommet de la pile (ou des piles) ; - registres généraux : ces registres sont disponibles pour les calculs ; - le séquenceur, qui permet de synchroniser les différents éléments du processeur. En particulier, il initialise les registres lors du démarrage de la machine et il gère les interruptions ; - l’horloge qui synchronise toutes les actions de l’unité centrale. Elle est présente dans les processeurs synchrones, et absente des processeurs asynchrones et des processeurs autosynchrones ; - l'unité d’entrée-sortie, qui prend en charge la communication avec la mémoire de l’ordinateur ou la transmission des ordres destinés à piloter ses processeurs spécialisés, permettant au processeur d’accéder aux périphériques de l’ordinateur. Mémoire cache : La mémoire cache, qui permet d’accélérer les traitements, en diminuant les temps d'accès à la mémoire. Ces mémoires tampons sont en effet beaucoup plus rapides que la RAM et ralentissent moins le CPU. Le cache instructions reçoit les prochaines instructions à exécuter, le cache donné manipule les données. Parfois, un seul cache unifié est utilisé pour le code et les données. Plusieurs niveaux de caches peuvent coexister, on les désigne souvent sous les noms de L1, L2 ou L3. Dans les processeurs évolués, des unités spéciales du processeur sont dévolues à la recherche, par des moyens statistiques et/ou prédictifs, des prochains accès en mémoire centrale. Etudier le rôle du transistor Un transistor (contraction de transfer resistor, en français résistance de transfert) est un composant électronique semi-conducteur, possédant trois électrodes, capable de modifier le courant qui le traverse à l'aide d'une de ses électrodes (appelée électrode de commande). On parle ainsi de «composant actif», par opposition aux « composants passifs », tels que la résistance ou le condensateur, ne possédant que deux électrodes (on parle de « bipolaire »). C’est le transistor en silicium qui équipe majoritairement nos processeurs (à l’échelle du µm voir maintenant du nm !) Pour avoir une idée de l’évolution de son nombre, voici un récapitulatif : Nombre de transistors dans les microprocesseurs Intel : -1971 : 4004 : 2 300 transistors -1978 : 8086 : 29 000 transistors -1982 : 80286 275 000 transistors -1989 : 80486 : 1,16 millions de transistors -1993 : Pentium : 3,1 millions de transistors -1995 : Pentium Pro : 5,5 millions de transistors -1997 : Pentium II : 27 Millions de transistors -2001 : Pentium 4 : 42 millions de transistors -2004 : Pentium Extrême Edition : 169 millions de transistors -2006 : Core2Duo : 291 millions de transistors -2006 : Core2Quad : 582 millions de transistors -2010 : Vers le milliard !!! Il existe différent type de transistors. Les règles de passage du courant,… sont régit par l’algèbre de boule. (or, xor, nand,…) Le transistor MOS (métal, oxyde, silicium) est le type de transistor majoritairement utilisé pour la conception de circuits intégrés. Le transistor MOS est composé de deux zones chargées négativement, appelées respectivement source (possédant un potentiel quasi-nul) et drain (possédant un potentiel de 5V), séparées par une région chargée positivement, appelée substrat (en anglais substrate). Le substrat est surmonté d'une électrode de commande, appelée porte (en anglais gate, parfois également appelée grille), permettant d'appliquer une tension sur le substrat. Lorsqu'aucune tension n'est appliquée à l'électrode de commande, le substrat chargé positivement agit telle une barrière et empêche les électrons d'aller de la source vers le drain. En revanche, lorsqu'une tension est appliquée à la porte, les charges positives du substrat sont repoussées et il s'établit un canal de communication, chargé négativement, reliant la source au drain. Le transistor agit donc globalement comme un interrupteur programmable grâce à l'électrode de commande. Lorsqu'une tension est appliquée à l'électrode de commande, il agit comme un interrupteur fermé, dans le cas contraire comme un interrupteur ouvert. N.B. : D’ici peu, la finesse de gravure sera telle que l’électron sera plus gros que le transistor lui-même, ce qui le rendra obsolète. Comparer le premier processeur au Core2Duo Objets de comparaison Intel 4004 Core2Duo Photographie 1971 Année de sortie 2006 Nombres de Core 1 2 Fréquence (MHz) 108 KHz 2*2 GHz 2300 transistors Nombres de transistors 291 Millions de transistors Finesse de gravure 6 µm 45 nm architecture 4 bits 32/64 bits Nombres de Pins 16 775 Prix 200 $ 200 $ (moyenne) Brève histoire de l’informatique Avant 1900 En 1641, Blaise Pascal (1623-1662) construisit une machine à additionner. Charles Babbage a été le premier à énoncer le principe de l'ordinateur. Il travailla une grande partie de sa vie à la construction d'un ordinateur mécanique qu'il appelait machine à différences. Joseph-Marie Jacquard (1752-1834) inventa un métier à tisser dont les motifs était indiqués par des cartons perforés. Une amie de Babbage, Ada Byron, comtesse de Lovelace (1815-1852), est parfois considérée comme le premier programmeur de l'Histoire, en raison d'un rapport qu'elle écrivit sur la machine de Babbage. (Le langage de programmation Ada a été nommé en son honneur.) Les années 1940 : la guerre fait naître l'ordinateur électronique La complication des calculs balistiques, durant la seconde guerre mondiale, aiguillonna le développement de l'ordinateur électronique. En 1944, à Harvard, Howard Aiken (1900-1973) construisit le calculateur électromécanique Mark I, avec l'aide d'IBM. En 1939, à l'Université d'Iowa, John Atanasoff (1904-1995) et Clifford Berry conçurent et réalisèrent l'ABC, un calculateur électronique pour résoudre des systèmes d'équations linéaires, mais il ne fonctionna jamais correctement. En Angleterre, Maurice Wilkes (né en 1913) construisit l'EDSAC (à partir de l'EDVAC). F. Williams (né en 1911) et son équipe construisirent le Manchester Mark I, dont une version fut opérationnelle dès juin 1948. Certains considèrent cette machine comme le premier ordinateur à programme en mémoire (architecture dite de Von Neumann). L'invention du transistor en 1947 par John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley transforma l'ordinateur, et permit la révolution du microprocesseur. Les années 50 Grace Hopper (1906-1992) inventa la notion de compilateur (1951). (Quelques années plus tôt, elle avait trouvé le premier bug de l'histoire de l'informatique, une phalène entrée dans le Mark II de Harvard.) John Backus et son équipe écrivirent le premier compilateur FORTRAN en avril 1957. Jack Kilby (Texas Instruments) et Robert Noyce (Fairchild Semiconductor) inventèrent les circuits intégrés en 1959. Dans un célèbre article de la revue Mind, en 1950, Alan Turing décrivit le test de Turing, l'une des premières avancées en intelligence artificielle. Les années 1960 Dans les années 1960, l'informatique devint une discipline à part entière. Il y eut une percée dans les systèmes d'exploitation. Fred Brooks (IBM) conçut System/360, une série d'ordinateurs de tailles variées, avec la même architecture et le même ensemble d'instructions. Edsger Dijkstra, à Eindhoven, conçut le système multiprogramme THE. De nombreux langages de programmation virent le jour, tels que BASIC, développé vers 1964 par John Kemeny (1926-1992) et Thomas Kurtz (né en 1928). Vers la fin de la décennie, on commença à construire ARPAnet, le précurseur d'Internet. Ted Hoff (né en 1937) et Federico Faggin (Intel) conçurent le premier microprocesseur en 1969-1971. Les années 1970 Le système d'exploitation Unix fut développé aux Bell Laboratories par Ken Thompson (né en 1943) et Dennis Ritchie (né en 1941). Brian Kernighan et Ritchie développèrent C, un important langage de programmation. On vit apparaître de nouveaux langages, tels que Pascal (inventé par Niklaus Wirth) et Ada (réalisé par une équipe dirigée par Jean Ichbiah). La première architecture RISC fut commencée par John Cocke en 1975, chez IBM. Vers cette époque, des projets analogues démarrèrent à Berkeley et Stanford. Les années 1970 virent aussi naître les superordinateurs. Seymour Cray (né en 1925) conçut le CRAY-1, qui apparut en mars 1976; il pouvait exécuter 160 millions d'opérations par seconde. Le Cray XMP sortit en 1982. Cray Research (à présent repris par Silicon Graphics) continue à construire des ordinateurs géants. Les années 1980 Cette décennie vit apparaître le micro-ordinateur personnel, grâce à Steve Wozniak et Steve Jobs, fondateurs d’Apple Computer. Les premiers virus informatiques apparurent en 1981 (leur nom est dû à Leonard Adleman). En 1981, l'Osborne I, le premier ordinateur vraiment portable, fut mis sur le marché. En 1984, Apple commercialisa le Macintosh. En 1987, l'US National Science Foundation démarra NSFnet, qui devait devenir une partie de l'Internet actuel. Les années 1990 et au-delà On continue à développer des ordinateurs parallèles. L'informatique biologique, avec les récents travaux de Leonard Adleman sur l'utilisation de l'ADN comme calculateur non déterministe, ouvre de grandes perspectives. Le projet Génome Humain cherche à séquencer tout l'ADN d'un individu. Les autoroutes de l'information relient de plus en plus les ordinateurs du monde entier. Les ordinateurs sont de plus en plus petits ; naissance de la nanotechnologie. Etudier l’architecture d’un ordinateur De quoi sont composés nos ordinateurs ? Processeurs : cf. Ci-dessus. Il se dispose sur le socket. Carte mère : La carte mère (motherboard en anglais) est un circuit imprimé servant à interconnecter toutes les composantes d'un micro-ordinateur. Comme elle permet aux différentes parties d’un micro-ordinateur de communiquer entre elles, la carte mère est, d’une certaine façon, le système nerveux du micro-ordinateur. Carte graphique : Une carte graphique ou carte vidéo, ou encore Adaptateur graphique; est une carte d'extension d'ordinateur dont le rôle est de produire une image affichable sur un moniteur d'ordinateur. La carte graphique convertit les données numériques internes à l'ordinateur en un signal électrique numérique ou analogique compatible avec le moniteur. Disque dur : Le disque dur ou Hard Disk Drive est une mémoire de masse magnétique. Les disques durs ont été développés à l'origine pour les ordinateurs. Tout d'abord en attachement local, ils peuvent être aujourd'hui organisés en réseaux (NAS et SAN) de capacité et de fiabilité croissante. Les disques durs font l'objet de multiples usages au-delà des ordinateurs, on peut les retrouver notamment dans des caméscopes, des lecteurs/enregistreurs de DVD de salon, des consoles de jeux vidéo, des assistants numériques personnels et des téléphones mobiles. Ram : La mémoire vive, mémoire système ou mémoire volatile (RAM (Random Access Memory mémoire à accès aléatoire) ou RWM (Read Write Memory mémoire en lecture écriture) en anglais) est la mémoire dans laquelle un ordinateur place les données lors de leur traitement. Les caractéristiques de cette mémoire sont : - sa rapidité d'accès (cette rapidité est essentielle pour fournir rapidement les données au processeur) ; sa volatilité (cette volatilité implique que les données sont perdues dès que l'ordinateur cesse d'être alimenté en électricité). Bus : Les différents composants d’un ordinateur sont interconnectés par des systèmes de câblage assurant la transmission des signaux nécessaires à son fonctionnement. Comme il n’est guère envisageable de relier chaque unité à toutes les autres de l’ordinateur, on fait appel à des lignes exploitées en commun par tous les dispositifs qui y sont rattachés ; on appelle bus ces ensembles de câbles par analogie avec les transports urbains du même nom. Un bus peut être utilisé par toutes les unités qui y sont connectées, mais jamais par plus de deux d’entre elles en même temps ; cela pose donc des problèmes d’attente et d’arbitrage de requêtes d’utilisation. Un circuit spécial, appelé contrôleur de bus, est chargé à cet effet d’organiser l’ensemble des accès et d’éviter les conflits qui pourraient survenir au sein de l’ordinateur. Un bus est capable de véhiculer des signaux correspondant fondamentalement à trois types d’informations : adresses (qui identifient l’emplacement d’un périphérique ou d’une donnée en mémoire), données et commandes (telles que par exemple les signaux d’horloge de synchronisation). La bande passante varie en fonction des besoins. Chipset : Un chipset pour micro-ordinateur se trouve sur la carte mère. Il est spécifiquement conçu pour un type de microprocesseur et joue un rôle important dans la souplesse des échanges d'une même carte. Les performances globales de l'ordinateur dépendent donc en grande partie des chipsets et de celle du microprocesseur. Son rôle est de gérer des flux de données numériques entre le microprocesseur et les divers composants et sous ensembles de composants de la carte mère Northbridge, southbridge : Sous-ensemble du chipset : Réponses aux hypothèses Faux. Le premier ordinateur fut crée le 1er avril 1940. Vrai. Les processeurs sont composés de transistors. Vrai. Le compilateur traduit le langage humain en langage machine. Faux. Pascal a inventé le premier ordinateur. Vrai. Le transistor est l’ancêtre du semi conducteur à barrière potentiel. Faux. Le compilateur est l’ancêtre de processeur. Faux. La base de données réside dans la mémoire de l’ordinateur. Réponse à la problématique Comment à évolué l’architecture et le fonctionnement des ordinateurs au fil du temps ? La réponse est donnée tout au long de ce CER. Bibliographie Documents officiels : - http://fr.wikipedia.org/wiki/Architecture_de_processeur : Comprendre l’architecture des processeurs. - http://www.revioo.com/articles/a617_0.html : Comprendre le bus - http://site.voila.fr/scientific/html/trsistor.htm#P8 : Définir le transistor. - http://fr.wikipedia.org/wiki/Architecture_de_von_Neumann : Définir l’architecture de Von Neumann. Document officieux : - Wikipedia : Définir les mots clés - http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/divers/qbarr.html : comprendre les barrières de potentiels. - http://www.supinfo-projects.com/fr/2005/processeur/4/ : comparatif proc. - http://www.lri.fr/~temam/enseignement/x/support/chapitre_00.pdf : comprendre l’architecture des ordinateurs. - … Difficultés à la fin du Prosit Durant ce prosit, la principale difficulté pour moi aura été de se limité dans les explications (de processeur notamment) afin que nous ne nous retrouvions pas avec un CER de 900 pages. Il aura fallut être conçit au niveau de l’histoire aussi. Synthèse L’architecture de l’ordinateur à largement évolué depuis ses ébauches, on construit de plus en plus petit et les pièces parallèlement, sont de plus en plus performantes. L’étude comparative entre le premier et le dernier processeur va dans ce sens. Globalement depuis les années 1980, on conserve la même architecture : - Microprocesseur Carte mère Mémoire Disque dur L’ordinateur est plus un concept qu’une entité dans la mesure où il n’est pas apparut du jour au lendemain, il a une histoire datant du 17eme siècle déjà ! La technologie ne cessera jamais d’évoluer, cependant son seul frein réside dans le budget. Il reste sans doute quelques points à voir car la problématique engagée ne nous limite pas. Il faudra donc questionner le tuteur afin d’en savoir plus ! ;)
