Révision : Structure d`un ordinateur - Deptinfo

Révision : Structure d’un ordinateur
Qu’est-ce qu’un système informatique ?
Un système informatique est un ensemble composé d’un ou plusieurs
dispositif programmable.
Chacun de ces dispositifs peut communiquer avec les autres via un
mécanisme dit de réseau et chacun de ces dispositifs effectue une ou
plusieurs tâches par le déroulement d’instructions constituants le programme
qu’il doit exécuter.
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
1
Révision : Structure d’un ordinateur
Plusieurs types de systèmes informatiques :
• Les systèmes informatiques généraux
• Ce sont les machines habituelles : PC, Station Unix, Mini-ordinateurs,
MainFrame.
• Ces systèmes sont adaptables par le logiciel qu’ils exécutent et donc leurs
tâches peuvent être variées.
• Les systèmes informatiques dédiés
• Ce sont des machines dédiées à un type de tâches particulières, par exemple
les consoles de jeux vidéo, les machines de tri du courrier.
• Les systèmes informatiques embarqués ou enfouis
• Ce sont des systèmes informatiques mis dans d’autres machines, par exemple
les appareils photo numériques, les téléphones, l’informatique des véhicules de
transport.
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
2
Révision : Structure d’un ordinateur
Eléments matériels d’un ordinateur
• Les bus
• La mémoire
• Les disques durs
• Les cd/dvd
• Le dma
• Les cartes périphériques, notamment la carte vidéo 3D
• La carte mère
• Le ou les processeurs
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
3
Révision : Structure d’un ordinateur
Les bus
C’est le cœur d’un ordinateur car il véhicule les informations d’un composant à l’autre.
Sa composition :
- Un ensemble de fil.
- Un protocole de communication.
- Un ensemble de règle régie la communication par un composant : le maître du bus.
Bus Adresse,
Bus data
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
4
Révision : Structure d’un ordinateur
Les mémoires
Elles permettent de stocker de l’information et sont réparties en plusieurs niveaux, on parle de
mémoire cache :
Mémoire de dernier
niveau : mémoire
centrale
Mémoire de niveau n +1
Mémoire de niveau n
Bus Adresse,
Bus data
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
5
Révision : Structure d’un ordinateur
La hiérarchie de mémoire
PROCESSEUR
NIVEAU 1 (INTEGREE)
NIVEAU 2
…
NIVEAU N
DERNIER NIVEAU : MEMOIRE CENTRALE
Ö Le niveau n est plus petit (en taille) que le niveau n - 1.
Ö Une donnée présente dans le niveau n-1 est présente dans le niveau n.
Ö Chaque niveau n fait correspondre une grande quantité d’adresses (en nombre) vers
une quantité plus petite situé au niveau n-1.
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
6
Révision : Structure d’un ordinateur
Ou mettre le bloc
Cache totalement associatif :
Le bloc mémoire peut aller n’importe où dans le cache :
0
1
2
3
4
5
6
7
Le bloc 12 peut aller n’importe où dans le cache
Numéro
bloc
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8
1
9
2
0
2
1
2
2
2
3
2
4
2
5
2
6
2
7
2
8
mémoire
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
7
2
9
Révision : Structure d’un ordinateur
Ou mettre le bloc
Cache à correspondance direct :
Le bloc mémoire a une seule place disponible dans le cache :
(numéro bloc) mod (nombre de bloc dans le cache)
0
1
2
3
4
5
6
7
Le bloc 12 peut aller seulement dans le bloc
12 mod 8
Numéro
bloc
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8
1
9
2
0
2
1
2
2
2
3
2
4
2
5
2
6
2
7
2
8
mémoire
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
8
2
9
Révision : Structure d’un ordinateur
Ou mettre le bloc
Cache associatif par ensemble de blocs :
Le bloc mémoire peut être placé dans un ensemble de blocs :
(numéro bloc) mod (nombre d’ensemble dans le cache)
Un ensemble est un groupe de blocs, s’il y a n blocs dans un ensemble, la correspondance est
appelée associative par ensemble de n blocs.
E0 E1 E2 E3
0
1
2
3
4
5
6
7
Associatif par ensemble : le bloc 12 peut
aller n’importe où dans le un des blocs de
l’ensemble 0 : bloc 0 et bloc 1.
Numéro
bloc
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8
1
9
2
0
2
1
2
2
2
3
2
4
2
5
2
6
2
7
2
8
mémoire
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
9
2
9
Révision : Structure d’un ordinateur
Comment trouver le bloc
Pour chaque bloc des caches, il existe une étiquette qui donne le numéro du bloc présent :
Ö Cette étiquette est examinée pour voir si elle correspond au numéro de bloc
provenant de l’UC.
Pour chaque bloc des caches, il existe un bit qui indique la validité du bloc. Si le bit n’est pas
positionné, il ne peut y avoir d’accès à une adresse du bloc (non représenté).
Numéro de bloc
Etiquette
Index
Déplacement
dans le bloc
Relation entre l’adresse et le cache
L’adresse est séparée en deux : le numéro de bloc et le déplacement dans ce bloc :
Ö Le numéro de bloc peut être divisé en un champ étiquette et un champ index.
L’augmentation du nombre d’ensemble diminue le champ étiquette et augmente le champ
index.
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
10
Révision : Structure d’un ordinateur
Remplacement d’un bloc en cas de défaut de cache
Correspondance directe :
Ö Pas le choix, seul le bloc testé est remplacé.
Associativité totale ou par ensemble :
Ö Le hasard : génération d’un numéro de bloc aléatoire.
Ö Le plus ancien : LRU, le bloc remplacé est celui qui n’a pas été utilisé depuis le
plus longtemps.
Le hasard est le plus facile à implémenter par matériel. Le coût du LRU croit avec le nombre
de blocs à observer.
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
11
Révision : Structure d’un ordinateur
Les écritures
Les lectures dominent les accès au cache :
ÖLes accès aux instructions et à leurs opérandes s’effectuent en lecture.
Ö 9% des instructions font des rangements en mémoire.
Deux politiques d’écriture existent :
ÖL’écriture ou rangement simultané dans lequel l’information est écrite dans le cache et dans
le niveau inférieur.
Ö La réécriture ou recopie ou encore rangement dans lequel l’information est écrite
uniquement dans le bloc du cache. Le cache modifié est recopié en mémoire principale
uniquement lorsqu’il est remplacé.
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
12
Révision : Structure d’un ordinateur
Les disques magnétiques
Deux types de disques cohabitent aujourd’hui : les IDE, SATA et les SCSI.
Disque N
Mémoire de Nième Niveau
CDROM
Mémoire de
2ième
Disque 0
Disque 0
Contrôleur
IDE/SATA
Contrôleur
SCSI
Niveau
Mémoire de 1er Niveau
Bus Adresse,
Bus data
CNAM 2009 - 2010
Bus spécialisé universel série
Bus spécialisé vidéo
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
13
Révision : Structure d’un ordinateur
Les disques magnétiques
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
14
Révision : Structure d’un ordinateur
Le DMA
Ö Les entrées – sorties gérées par interruptions libèrent le processeur, mais :
Le processeur passe beaucoup de temps à effectuer des instructions de transfert de
données.
Ö Beaucoup d’événements d’entrées – sorties nécessitent des transferts de blocs
La plupart des ordinateurs possèdent un processeur spécialisé qui gère le dispositif
d’accès à la mémoire :
LE DMA
(Direct Memory Access : accès direct à la mémoire).
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
15
Révision : Structure d’un ordinateur
Le DMA
n Le processeur initialise les
registres du DMA en lui
envoyant
une
adresse
mémoire et le nombre
d’octets à transférer.
DMA
(@, nb)
UC
CNAM 2009 - 2010
Disque
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
MEMOIRE
16
Révision : Structure d’un ordinateur
Le DMA
DMA
UC
CNAM 2009 - 2010
Disque
o Le DMA transfert les données
entre un disque et la mémoire,
pendant ce temps, l’UC travaille a
une autre tache. Le DMA doit être
maître du bus.
MEMOIRE
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
17
Révision : Structure d’un ordinateur
Le DMA
p Une fois le
transfert terminé, il
y a génération d’une
interruption.
UC
CNAM 2009 - 2010
DMA
Disque
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
MEMOIRE
18
Révision : Structure d’un ordinateur
Le DMA
Ö Il peut y avoir plusieurs DMA dans un même ordinateur :
Il faut dans ce cas avoir un arbitre pour accéder au bus.
Ö Les DMA peuvent être plus ou moins intelligents, ils forment alors des processeurs d’entrées
– sorties :
Ces processeurs opèrent à partir de programmes fixes, ou de programmes chargés par le
système d’exploitation.
Par exemple : l’imprimante LP11 provoqueraient 4800 interruptions pour imprimer une
page de 60 lignes de 80 caractères, un processeur d’entrées – sorties pourraient éviter 4799
interruptions.
Ö Puisque nous parlons de processeurs d’entrées – sorties capables d’exécuter des instructions,
nous sommes presque en train de parler de multiprocesseurs.
Toutefois ces processeurs n’ont pas pour vocation d’effectuer que des transferts de
données et non des instructions générales.
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
19
Révision : Structure d’un ordinateur
Les bus
C’est par eux que s’acheminent les informations au travers des machines. Une machine peut en
posséder plusieurs dont certains peuvent être spécialisés.
Disque N
Mémoire de Nième Niveau
CDROM
Mémoire de
2ième
Disque 0
Disque 0
Contrôleur
IDE/SATA
Contrôleur
SCSI
Niveau
Mémoire de 1er Niveau
Bus Adresse,
Bus data
Scanner
Souris
Carte vidéo
Modem ADSL
CNAM 2009 - 2010
Bus spécialisé universel série
Bus spécialisé vidéo
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
20
Révision : Structure d’un ordinateur
Les cartes vidéo
Les cartes vidéo d’aujourd’hui incorporent des composants intelligents et des processeurs pour
la 3D.
Disque N
Mémoire de Nième Niveau
CDROM
Mémoire de
2ième
Disque 0
Disque 0
Contrôleur
IDE
Contrôleur
SCSI
Niveau
Mémoire de 1er Niveau
Bus Adresse,
Bus data
Carte vidéo
Processeur
Vidéo 3D
Scanner
Souris
Mémoire vidéo
en Mo
Modem ADSL
Processeur
Graphique
Bus spécialisé universel série
CNAM 2009 - 2010
Bus spécialisé vidéo
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
21
Révision : Structure d’un ordinateur
Le processeur
Disque N
Mémoire de Nième Niveau
CDROM
Mémoire de
2ième
Disque 0
Disque 0
Contrôleur
IDE
Contrôleur
SCSI
Niveau
Mémoire de 1er Niveau
Bus Adresse,
Bus data
Carte vidéo
Processeur
Vidéo 3D
Scanner
Souris
Mémoire vidéo
en Mo
UC
Modem ADSL
Processeur
Graphique
Bus spécialisé universel série
Bus spécialisé vidéo
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
22
Révision : Structure d’un ordinateur
Alimentation
D0
D1
Dn
Adresses
A0
A1
Données (Data)
Le processeur
Read
Write
Entrée Horloge
An
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
23
Révision : Structure d’un ordinateur
Le processeur
Bus d’adresse
Reg @
R1
SP
R2
CO
R3
…
E1
Rx
E2
S
Z NZ C OF
…
Registre d’état
Décodeur
Circuit commande
Bus interne
Reg Data
Read / Write
CNAM 2009 - 2010
R3 ← R1 + R2
01 R1-Lec
02 UalE1-Ecr
03 UalE1-Dec
04 R1-Dec
BusInt ← R1
UalE1 ← BusInt
Déconnexion UalE1
Déconnexion R1
05 R2-Lec
06 UalE2-Ecr
07 UalE2-Dec
08 R2-Dec
BusInt ← R2
UalE2 ← BusInt
Déconnexion UalE2
Déconnexion R2
09 Add
Commande Ual ADD
10 UalS-Lec
11 R3-Ecr
12 R3-Dec
13 UalS-Dec
BusInt ← UalS
R3 ← BusInt
Déconnexion R3
Déconnexion UalS
Fetch
Reg Inst
Horloge
Add R1, R2, R3
Bus data
14 Co-Lec
15 Reg @-Ecr
16 Reg @-Syn-Lec
17 Read Mémoire
18 Reg @-Dec
19 Co-Dec
20 Co++
BusInt ← CO
Reg @ ← BusInt
Synchronisation Bus adresse machine - Reg @
Bus data machine ← [Mémoire]
Déconnexion Reg @
Déconnexion Co
INC CO (pointe sur instruction suivante)
21 Reg-Data-syn-Ecr
22 Reg-Data-Lec
23 RI-Ecr
24 RI-Dec
25 Reg-Data-Dec
26 Reg-Data-NSyn
27 Reg @-NSyn
Synchronisation Bus Data machine – Reg Data
BusInt ← RegData
RI ← BusInt
Déconnexion RI
Déconnexion RegData
Déconnexion Reg Data – Bus data machine
Déconnexion Reg @ - Bus adresse machine
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
24
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
Les ordinateurs utilisent des états électriques que nous représentons par des 0 et 1.
⇒ Tout est représenté par du binaire, les entiers sont en binaire :
0000 1010 représente le nombre décimale 10.
Habituellement, nous regroupons les bits par 8 pour former un octet.
Cela permet de stocker un caractère car 8 bits permettent 256 combinaisons
différentes ce qui est assez pour les jeux de caractères.
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
25
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
Les bits sont numérotés de droite à gauche.
On commence la numérotation par la valeur 0
Pour passer du binaire au décimal, on multiplie la valeur du bit (0 ou 1)
par la puissance de 2 donnée par son numéro.
Le bit le plus à droite (bit 0) a pour poids : 20
Le bit 1 a pour poids : 21
Le bit 2 a pour poids : 22
Et ainsi de suite…
Nous avons donc successivement les valeurs suivantes :
2X 2x-1 … 28 27 26 25 24 23 22 21 20
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
26
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
Pour obtenir la valeur décimale d’une représentation binaire, il suffit de
faire l’addition des différents bits multipliés par leurs poids (puissance
de 2).
Exemple :
1011 0110 1100 1010 =
0*20+1*21+0*22+1*23+0*24+0*25+1*26+1*27+
0*28+1*29+1*210+0*211+1*212+1*213+0*214+1*215 =
1*0+1*2+0*4+1*8+0*16+0*32+1*64+1*128+0*256+
1*512+1*1024+0*2048+1*4096+1*8192+0*16384+1*32768
=
46794
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
27
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
En principe, vous êtes supposés savoir faire les conversions des
valeurs en puissance de 2 de tête :
20 = 1
21 = 2
22 =4
23 =8
24 =16
25 =32
26 = 64
27 = 128
CNAM 2009 - 2010
28 = 256
29 =512
210 = 1024
211 = 2048
212 = 4096
213 = 8192
214 = 16384
215 = 32768
210 +/-= 1 000
220 +/-= 1 000 000
230 +/-= 1 000 000 000
240 +/-= 1 000 000 000 000
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
28
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
Utilisation de la base hexadécimale :
=> Utilisation de 16 symboles :
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A ou a, B ou b, C ou c, D ou d, E ou e, F ou f
Les valeurs sont les suivantes :
H
D
H
D
H
D
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
7
8
9
10
11
12
13
E
F
14
15
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
29
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
La notation hexadécimal est intéressante car un seul caractère
représente un quartet de bit :
B
H
D
B
H
D
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
8
9
A
B
C
D
E
F
8
9
10
11
12
13
14
15
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
30
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
Le passage d’un nombre binaire en hexadécimal doit être inné pour les
informaticiens.
Vous devez être capable de changer de base numéraire facilement du :
• décimal vers le binaire
• décimal vers hexadécimal
• binaire vers décimal
• binaire vers hexadécimal
• hexadécimal vers binaire
• hexadécimal vers décimal
Le tout de TETE !!!
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
31
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
Addition binaire :
0+0=0
0+1=1
1+0=1
1 + 1 = 0 retenue de 1
Application des règles habituelles de l’addition :
111111110
100110110
+
111011111
= - 2010 1100010101
CNAM 2009
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
32
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
La représentation d’un entier négatif s’effectue en utilisant la
technique du complément à 2 :
1100110000110011
Inversion des bits : 0011001111001100
Addition de 1
: 0011001111001101
Le complément à 2 de 1100110000110011 est 0011001111001101
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
33
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
Grâce à cette technique, on peut dans un nombre de bits donnés représenter des
nombres positifs et négatifs. Le bit de gauche indique alors le signe du nombre, 1
le nombre est négatif, 0 le nombre est positif.
Par exemple sur 8 bits :
Nombre positif de 0 à 127 (0000 0000 à 0111 1111).
Nombre Négatif de -128 à -1 (1000 0000 à 1111 1111).
Addition de deux nombres de signe opposés :
+
=
-1
1
0
CNAM 2009 - 2010
1111 1111
0000 0001
0000 0000, retenue de dépassement du format 1 (non utilisée).
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
34
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
On procède comme en décimal pour effectuer une
multiplication binaire :
*
=
+
+
=
CNAM 2009 - 2010
10101
101
10101
00000.
10101..
1101001
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
35
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
Pour mieux comprendre, en décimal :
Soit la multiplication de 42 * 2586
=> Je divise par 2 le plus petit et multiplie par 2 le plus grand :
42
21
10,5
5
2,5
1
2586
5172
10344
20688
41375
82752
Je ne garde que les chiffres de la colonne de
multiplication par 2 dont la correspondance
dans la colonne de division par 2 est impair.
Le résultat est l’addition de ces valeurs :
42*2586=5172 + 20688 + 82752 = 108612
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
36
Révision : Structure d’un ordinateur
Révision numérique
Algorithme de division : 7628 / 25 :
=
=
=
=
-
7682
6400
1282
800
482
400
82
50
32
25
=
7
25
50
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
1
1
0
0
1
1
0
0
1
.
On multiplie par 2 le diviseur jusqu’à
obtenir un nombre supérieur au
nombre a diviser
(12800=512*25=29*25>7682).
On prend le nombre immédiatement
inférieur et on le soustrait au nombre
a diviser. On marque ce nombre par
un 1. On recommence avec le reste
de la soustraction jusqu’à obtenir un
nombre inférieur au diviseur.
Les valeurs non marquées par des 1
sont marquées par 0.
Sens de la lecture
Résultat : 100110011 reste 7. Soit 7682 / 25 = 307, reste 7.
CNAM 2009 - 2010
Patrick Arlaud - Jérome Dupire
37