introduction a l`architecture des ordinateurs

INTRODUCTION A L’ARCHITECTURE DES
ORDINATEURS
Jean-Christophe BUISSON
23 juin 2014

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Chapitre I. Principes généraux
I.1. Organisation générale d’un ordinateur
I.1.1. Le modèle de Von Neumann
La plupart des ordinateurs ont l’organisation générale de la Figure I-1.
Figure I-1. Organisation générale d’un ordinateur; les flèches sont des chemins de données.
Cette organisation est dite de ’Von-Neumann’, car elle ressemble beaucoup à la machine conçue par
John Von Neumann sur la machine IAS peu après la deuxième guerre mondiale. Elle suppose et
implique un certain nombre de propriétés caractéristiques des ordinateurs actuels :
La mémoire est un composant central ; c’est un tableau de mots de taille fixe
On voit sur le schéma que la mémoire centrale est au départ et à l’arrivée de l’exécution d’un
programme. C’est elle qui contient le programme à exécuter et les données initiales ; c’est dans elle
que seront stockés les résultats intermédiaires ou finaux.
C’est un tableau de mots binaires de taille fixe. Chaque mot est repéré par un nombre appelé
adresse, et les programmes feront référence aux données et aux instructions en mémoire par leurs
adresses.
Le programme exécuté est dans la mémoire centrale
Même si le programme qu’exécute un ordinateur est stocké initialement sur un disque dur, ce n’est
pas avant d’avoir été copié en mémoire centrale, que son exécution peut commencer.
Un programme qu’exécute un ordinateur est composé d’instructions sous forme de mots mémoire.
Le langage utilisé pour coder les instructions en mots binaires est appelé langage machine, c’est le
seul que comprenne le processeur. La taille des instructions varie beaucoup selon le type des
processeurs. Parfois toutes les instructions ont la même taille, égale à un ou plusieurs mots mémoire;
parfois elles ont des tailles variables selon la complexité de l’instruction.

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Le processeur est le coordonnateur de l’exécution
Le processeur contrôle l’exécution des programmes, en organisant le chargement des instructions et
le détail de leur exécution ; c’est aussi lui qui effectue tous les calculs, notamment sur les nombres
entiers. Ces deux fonctions sont associées dans la même unité car le contrôle de l’exécution
nécessite souvent des calculs entiers, lorsque par exemple il faut faire une somme pour déterminer
l’adresse de l’instruction suivante.
Le processeur a besoin de garder la trace d’un certain nombre d’informations pendant l’exécution
des instructions : l’adresse de l’instruction en cours par exemple, ou le résultat de la dernière
opération arithmétique. Il utilise pour cela des registres, qui sont des mots mémoire fixes, à accès
très rapide.
Le processeur ne dialogue pas directement avec les périphériques
On voit sur la figure que le processeur dialogue avec des contrôleurs de périphériques et non avec les
périphériques eux-mêmes. Par exemple un processeur n’a aucune conscience de l’existence d’un
disque dur ; il dialogue avec un contrôleur de disque, à l’aide d’instructions génériques
d’entrées/sorties.
I.1.2. Organisation en bus
Les flèches entre les composants de la Figure I-1 étaient à prendre dans un sens fonctionnel; si elles
devaient représenter effectivement les chemins par lesquels transitent les données, le
fonctionnement serait très inefficace. En pratique, les données circulent entre les différents sous-
systèmes d’un ordinateur sur des bus, sortes d’autoroutes, et des circuits spécialisés jouent le rôle
d’échangeurs aux carrefours de ces bus, de façon à permettre des transferts simultanés dans
certaines circonstances. La Figure I-2 montre une organisation typique d’un système de type
compatible PC.
Figure I-2. Architecture générale des bus d’un ordinateur compatible PC.
Un circuit appelé north-bridge règle les échanges à très grande vitesse, notamment entre le
processeur et la mémoire centrale. Il exploite de façon synchrone le bus FSB (front side bus), encore
appelé bus système, dont la vitesse est très corrélée à la puissance générale de l’ensemble. Un

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second circuit appelé south-bridge effectue quant à lui des échanges moins rapides avec des
périphériques SATA, réseau, etc.
La Figure I-3 montre une photo de carte mère typique, avec l’emplacement physique des différents
bus. La mémoire et le north bridge sont placés très près du processeur, car ils sont sur les bus les plus
rapides. Le north-bridge est équipé d’un radiateur à cause de l’intensité du travail de transfert qu’il
réalise.
Figure I-3. Carte mère typique. Les bus rouges (FSB et mémoire), très rapides, sont gérés par le north bridge ; les bus
verts (PCI, SATA, etc.), plus lents, sont gérés par le south bridge.
I.2. Bits et signaux électriques
L’information est stockée et véhiculée dans un ordinateur, logiquement sous forme de chiffres
binaires ou bits (binary digit), et physiquement sous forme de signaux électriques.
La logique binaire est utilisée parce qu’il est plus facile de construire des systèmes électriques
possédant deux états stables, et parce qu’on a maintenant beaucoup de résultats mathématiques en
algèbre de Boole, mais des implémentations sur des systèmes possédant plus de deux états stables
sont envisageables.
Ces deux états sont notés ’0’ et ’1’ ; ils correspondent le plus souvent aux deux tensions électriques
0v et +Vcc respectivement, Vcc valant exactement +5v pour des circuits utilisant la technologie TTL,
et une valeur comprise entre 2v et 15v environ en technologie CMOS (des valeurs de Vcc=3.3v, 2.5v
et 1.8v étant utilisée de plus en plus souvent). Pour tenir compte du fait que ces signaux électriques
vont être déformés lors des transmissions, des plages de valeurs plus larges ont été affectées à ces
états. Par exemple, en technologie TTL, elles sont représentées Figure I-4. Il faut noter que ces
assignations sont légèrement différentes selon qu’une tension est considérée en entrée ou en sortie
d’un circuit.