Architecture des ordinateurs
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Hiérarchie matériel dans le monde informatique • Association d’interrupteurs: fonctions arithmétiques élémentaires Architecture d’ordinateur : introduction Elément « NON » Elément « Non-Et » Dimitri Galayko Introduction à l’informatique, cours 1 partie 2 Septembre 2014 1 Hiérarchie matériel dans le monde informatique Hiérarchie matériel dans le monde informatique • Un élément de base de l’informatique: un interrupteur commandé (un transistor) • Comment en arrive-t-on à un ordinateur ? • Association de fonctions arithmétiques élémentaires : fonctions plus complexes et variées Vin Interrupteur commandé Transistor MOS Elément de mémoire (Bascule D) • Réponse : – Un grand nombre d’interrupteurs (des milliards, ~109) – Une grande complexité : réseau d’interconnexion complexe – Structure hiérarchique 2 Hiérarchie matériel dans le monde informatique • Association de fonctions arithmétiques élémentaires : fonctions plus complexes et variées Hiérarchie matériel dans le monde informatique • Association de fonctions arithmétique: fonctions plus complexes Additionneur binaire S=A+B Multiplieur Hiérarchie matériel dans le monde informatique • Association de fonctions arithmétiques élémentaires : fonctions plus complexes et variées 7 Hiérarchie matériel dans le monde informatique • Association de fonctions arithmétique: fonctions plus complexes Multiplexeur (sélectionner une entrée parmi plusieurs) Unité arithmétique logique du processeur Z80 8 Hiérarchie matériel dans le monde informatique Hiérarchie matériel dans le monde informatique • Association de fonctions plus complexes: unités fonctionnelles • Encore plus complexe : Intel Core I7, >2 G transistors Processeur INTEL 8085 9 Hiérarchie matériel dans le monde informatique 11 Hiérarchie matériel dans le monde informatique • Encore plus complexe : Pentium IV (2000-2007), 42 M transistors • On peut aller encore plus loin ? Oui ! En associant des processeurs, des circuits périphériques, pour faire un ordinateur 10 12 Hiérarchie matériel dans le monde informatique Hiérarchie matériel dans le monde informatique • Et encore plus loin, en associant des ordinateurs : les réseaux ! • Exemple de programmation d’un multiplexeur: en fonction de la polarisation des entrées A1, A2, la sortie X est reliée à une des entrée D1-D4 Multiplexeur (sélectionner une entrée parmi plusieurs) 13 Hiérarchie matériel dans le monde informatique • Secret du succès de l’informatique: le polymorphisme des systèmes matériels (poly == plusieurs, morphisme == forme). • Obtenu par la programmation : le comportement d’un même dispositif matériel dépend de sa polarisation électrique • Polarisation électrique: les signaux 14 « logiques » 1 ou 0 Hiérarchie matériel dans le monde informatique • Chaque élément numérique, même très simples, sont, en général, programmable. • Il y a la même hiérarchie de la complexité dans la programmation ! • Comment gérer cette complexité ? Comment maîtriser un système qui contient des milliards d’interrupteurs ? Comment le faire fonctionner ? • Deux disciplines: électronique et informatique • Trois mots d’ordre : – Hiérarchisation, Encapsulation, Abstraction Hiérarchie matériel dans le monde informatique Architecture « globale » • Hiérarchisation : les niveaux structurels sont bien défini. On ne voit jamais le 1 milliard de transistors à plat (impossible! ). A chaque niveau hiérarchique, il y a une structure de complexité raisonnable • Ceci possible grâce à l’abstraction : on ne s’intéresse pas à la manière dont est fait un bloc, mais à sa fonction, ses entrées, ses sorties. • L’abstraction est possible grâce à l’encapsulation : réalisation des « clusters » fonctionnels qui cachent la structure interne d’un bloc (des boîtes noires), en ne laissant apparent que des entrées, des sorties, et la description de la fonctionnalité. Sommaire • Modèle de von Neumann CPU= Central Processor Unit! 19 Input and Output : les dispositifs périphériques (son, vidéo, …)! Unité centrale • Contient un processeur : interpréter et exécuter des commandes, lire ou écrire des données dans la mémoire, communiquer avec le monde extérieur • Principe de l’informatique au niveau matériel • Architecture d’ordinateur – Fréquence d’horloge – Nombre d’instruction par seconde – Largeur du bus de donnée – unité centrale, carte mère – Bus – parallèle, série, performances – Mémoire – morte, vive – Processeur – performances • L’unité centrale peut contenir d’autres blocks auxiliaires (co-processeur…) • Concept obsolète: ne s’applique pas aux portables, aux tablettes, aux ordinateurs monoblocs • Dispositifs périphériques 18 20 Carte mère Carte mère • Regroupe tous les éléments de base d’un ordinateur : - processeur, « chipset », bus - périphériques : interface réseau, carte son, carte vidéo, etc. • Horloge (heure interne) : alimentée avec une batterie 21 23 Carte mère Sommaire • Principe de l’informatique au niveau matériel • Architecture d’ordinateur – unité centrale, carte mère – Bus – parallèle, série, performances – Mémoire – morte, vive – Processeur – performances • Dispositifs périphériques 22 24 Bus Bus • D’une manière primitive, un bus est une collection de fil, chacun transmettant 1 bit d information • L’ensemble des bits transmis sur un bus forment un mot binaire • Un bus en tant que système : une collection de fils PLUS des unités de contrôle d’accès • Un contrôle d’accès est nécessaire pour éviter des conflits (par ex., deux dispositifs qui veulent accéder au même bus au même moment). • Un bus est caractérisé par le nombre de bits et par le débit • Bus d adresse : permet au processeur d adresser une cellule de mémoire ou un dispositif d entrée/sortie pour une communication 25 Bus 27 BUS ! BusPour les cartes vidéo! • Largeur de bus : le nombre de fil • Débit maximal : la vitesse de transmission de données (bits par seconde) • La largeur du bus de donnée détermine le paramètre « nombre de bit de processeur », ex., processeur 32 bits, 64 bits, etc… Exemple : bus PCI, cadencé à 33 MHz, largeur de 32 bits (le bus ! !d extension dans les PCs)! ! - Bus PCI Express 2.0 500 MB/s (2007) 26 Bus PCI ! 28 Pour cartes son, TV, réseau…! Sommaire Les mémoires RAM • Principe de l’informatique au niveau matériel • Architecture d’ordinateur • Composant physique : – unité centrale, carte mère – Bus – parallèle, série, performances – Mémoire – morte, vive – Processeur – performances • Organisation logique : • Random Access Memory: un terme historique En français : une mémoire vive • Dispositifs périphériques 29 Hiéarchie des mémoires 31 RAM Statique • Une cellule de mémoire stoque une donnée tant que l alimentation est présente 30 32 RAM dynamique RAM : en pratique • Stoque des information pendant un temps court ; nécessite un rafraichissement. Avantage : moins de transistors, consommation plus faible • Support DIMM ou SIMM (ancien) 33 Mémoire principale 35 RAM : en pratique • Mémoire morte (ROM), accessible uniquement en lecture, sert pour le démarrage (BIOS) • Mémoire vive (RAM), accessible en lecture et en écriture, sert à stocker les données en cours d exécution du programme • Parfois on parle d une mémoire de donnée et mémoire de programme (certaines architectures de microcontrôleur) • Les autres types de mémoire (disque dure, DVD) : considéré comme de la mémoire secondaire (infra) • DDR = Double Data Rate • DDR2: ~1 GO/s DDR3 : 10 GO/S, 34 36 RAM : en pratique RAM Cash • La mémoire cash : une mémoire très rapide, servant de « tampon » pour les donnée fréquemment utilisées • La présence de la mémoire CASH accélère grandement la vitesse d un ordinateur • Se trouve dans ou à proximité de processeurs (mais aussi de disques durs, serveurs proxy etc…) • Paramètres de RAM : – Capacité (en Moctets, à partir de 512 MO par barette). Le « standard » pour un ordinateur moderne est de 2 GO de RAM – Temps d accès (fréquence de RAM) : ~1 GHz 37 RAM Cash 39 ROM • Mémoire dite « morte » : contenu non modifiable • ROM=Read Only Memory • « Memory wall » : un écart croissant entre les performances de processeur et celles des mémoires • Processeurs: progrès en vitesse de 50% / an • Mémoire : 10% / an • Une soltion : mémoire cash 38 EPROM / UV EPROM (Erasable Programmable ROM)40 Mémoire Flash: à mi-chemin entre ROM et RAM Sommaire • Re-inscriptible (jusqu’à 100 000 cycles) • Sans alimentation, l’information est conservée • Structurellement, une mémoire morte EPROM • Principe de l’informatique au niveau matériel • Architecture d’ordinateur – unité centrale, carte mère – Bus – parallèle, série, performances – Mémoire – morte, vive – Processeur – performances • Dispositifs périphériques 41 Registre 43 Processeur • Cellule de mémoire se trouvant immédiatement dans le processeur (en faisant partie) • Accès très rapide • Inconvenient : petit nombre (dizaine…) • Spécialisation (registre d’état, d’instruction, accumulateurs…) • Architecture globale 42 44 Processeur Processeur • Cycle d instruction • Cycle d instruction – phase 1 : lecture du code de l instruction, chargement de données – phase 3 : fin de l instruction, reinitialisation 45 47 Performances d un processeur Processeur • Cycle d instruction • Fréquence d horloge (1/durée d un cycle) • CPI (Cycle par Instruction), nombre moyen de cycle nécessaire à l execution d une instruction • MIPS, millions d instruciton par seconde : – phase 2 : execution de l instruction MIPS = Fclk/CPI 46 48 Jeu d instruction et langage de programmation Processeur • Jeu d instruction : liste de commandes (instructions) comprises par le processeur (addition/soustraction, saut à une adresse, etc…) • Les instructions du processeurs sont codées en langage machine (codes binaires) • Difficilement maniables par un humain • Plusieurs niveau de codage de programme • Architecture du Pentium III 49 Jeu d instruction et langage de programmation 51 Processeur • Fréquence d’horloge et la puissance dissipée Niveau de programmation : • langage machine, • Assembleur, • langage de haut niveau • Logiciels Exemple d un bout de programme 50 52 Processeur : refroidissement Sommaire • Principe de l’informatique au niveau matériel • Architecture d’ordinateur – unité centrale, carte mère – Bus – parallèle, série, performances – Mémoire – morte, vive – Processeur – performances • Dispositifs périphériques 53 Processeur 55 Périphériques d entrée sortie • Architecture globale • Utilité : permettre au processeur de communiquer avec le monde extérieur • Liaison avec le processeur : à travers des ports • Types de liaison : série et parallèle 54 56 Liaisons parallèle et série Périphérique vidéo • Liaison parallèle • Carte vidéo – Décharge le processeur principal de la gestion de l’affichage – Puissance de calcul plus grande que celle des processeurs principaux : • Liaison série • 1000x1000 pixels, renouvelé 75 fois par seconde, traitement graphique complexes… • Fabricants : ATI, NVIDIA 57 59 Périphérique de stockage : disque dur Périphérique vidéo • Carte vidéo GPU = Graphic Processing Unit: des processeurs extrêmement puissantes, pour générer des images 3D, gérer le flux vidéo, etc. RAMDAC = Convertisseur analogique-numérique, devenu inutile avec l’apparition des sorties DVI Mémoire vidéo : un « tampon » pour l’affichage – Contient de la mémoire, une BIOS : un ordinateur à part entière 58 Caractéristiques : ! • Capacité de stoquage : jusquà 2 To ! • Vitesse de rotation : 3600-15000 tours/minute! • Taux de transfert : ~100 Mo/S! • Interface avec carte mère : IDE (avant 2005), S-ATA ! (la plus répandue actuellement)! • Avantage: stoquage de gros volumes de données, ! • Inconvénient : lenteur, fragilité mécanique (présence ! !des éléments en rotation, positionnement ! !mécanique précis)! Les disques durs magnétiques ont tendance à être remplacés! par les mémoires flash ! 60 ! Périphérique de stockage : disque dur Périphérique de stockage : bandes magnétiques Caractéristiques : ! • Capacité de stoquage : des centaines de Go! • Durée de vie : jusqu à 40 ans! ! Surtout utilisé pour l archivage données/sauvegarde de ! !sécurité. ! Inconvénient: accès « séquentiel », très lent. ! 61 63 120Gb-1Tb, 80-100 Mb / s, temps d accès 5 à 15 ms ! Périphérique de stockage : disque dur 62 DDS tape drive. Above, from left to right: DDS-4 tape (20 GB), 112m Data8 tape (2.5 GB), QIC DC-6250 tape (250 MB), and a 3.5" floppy disk (1.44 MB). 64 Périphérique de saisie : clavier Périphérique de stockage : Mémore optique Mémoire optique : CD/DVD ! Surface d un CD! 65 67 Tête lectrice d’un CD! Périphérique de stockage : Mémore optique Avantage : support « disque », coté «objet », ! ! !historiquement ressemble à un disque vinil. ! ! !On peut imprimer une image dessus … ! ! !De nos jours, n a pas davantage! ! !comparé à une clé USB. ! ! Capacité : 650 Mo (CD)-15 Go (DVD double couche double face)! Mémoire morte (non-modifiables). Le contenu peut être ! !écrit/modifié dans certains cas.! Débit : ~10 Mbits/seconde! ! Tendance à devenir obsolète. ! 66 ! Périphérique de saisie : clavier 68 Périphérique de saisie : écran tactile Principe capacitif Conclusion • Evolution très rapide des technologies • Intégration des composants d’ordinateur (miniaturisation) • Architectures parallèles et multicœur Apple, … 69 Egalement, principe capacitif, infrarouge, jauge de contrainte… Autres périphériques • • • • Interfaces réseau Interfaces midi (musique, clavier, …) Interfaces son Ce que vous voulez (instruments de mesure, commande de machine) • L’extensibilité est la principale propriété des architectures d’ordinateurs 70 71
