De l`engrenage au microprocesseur
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Introduction à l'architecture des ordinateurs. page 1 De l'engrenage au microprocesseur... Calcul mécanique : Les calculateurs mécaniques sont faits d'engrenages, un peu comme les compteurs kilométriques de voiture. En 1642, Blaise PASCAL (1623 - 1662) invente une machine à calculer, la Pascaline, conçue pour aider son père, collecteur des impôts à faire ses additions et ses soustractions. Premiers fondements théoriques : Wilhelm LEIBNITZ (Allemagne, 1646 - 1716) Philosophe et mathématicien, fabrique une machine à calculer mécanique perfectionnée, fonctionnant en pas à pas et permettant la multiplication, la division et la racine carrée. On voit apparaître les premières notions des numération binaire. Maintenant on utilise : BIT : Binary digit, unité d'information binaire. BYTE : Ensemble de 8 bits appelé encore Octet, permet de coder des valeurs comprises entre 0 et 255. On peut représenter les valeurs en binaire en hexadécimal, en décimal (%10011010 = $9A = 9AH = 160 ). La machine analytique : Charles BABBAGE (Angleterre, 1792 - 1871) Professeur de mathématiques à Cambridge, simule le fonctionnement d'une machine analytique qui exécute des opérations arithmétiques, et prend des décisions basées sur les résultats de ses propres calculs. C'est la notion de calcul séquentiel et de branchement qui est exprimée dans ces travaux. Charles BABBAGE, aidé de sa collaboratrice Ada LOVELACE, conçoit une machine mécanique, alimentée en informations par une bande perforée. Malheureusement cette machine trop complexe à réaliser pour les moyens techniques de l'époque ne fonctionnera que partiellement. Ada Lovelace, comtesse, fille de Lord BYRON sera la première programmeuse du monde. Un langage informatique inventé pour les besoins du Département de la Défense Américain et mis en service en 1980, sera appelé ADA, en souvenir de Ada Lovelace. La logique binaire : George BOOLE (Angleterre, 1815 - 1864) Mathématicien, montrera que toute équation booléenne peut être écrite avec 3 opérateurs seulement (ET, OU, NON). A cette époque, on ne peut réaliser ces circuits que grâce à des contacts et des relais électromécaniques. On peut mémoriser une information grâce à un relais mais c'est encombrant, bruyant et sa consommation électrique est élevée. Les premiers balbutiements : Joseph Marie JACQUARD (1752 - 1834) Invente la canne perforée pour commander des métiers à tisser. Cette découverte mise en oeuvre en 1804 constitue la première mémoire de programme. Emile BAUDOT invente un système télégraphique pour les chemins de fer américains en 1874. Une tension continue maintenue sur la ligne constitue une sécurité passive. Baudot laissera son nom dans l'histoire de l'informatique. On appelle BAUD la vitesse de transmission de l'information sur une ligne série (vitesse : 4800 bauds). Herman HOLLERITH (Etats Unis1860 - 1929) mettra au point en 1890 une machine fonctionnant avec des relais et des cannes perforées. Utilisée pour réaliser le recensement de la population américaine. Il créera une petite société qui deviendra plus tard l'International Business Machine Corporation (IBM , Big Blue). Konrad ZUSE (Allemagne) crée des calculateurs binaires à relais, financés par Hitler, dans le but de trouver des applications militaires (balistique, calcul pour les fusées V1 et V2). Les machines obtenues sont trop lentes, il faut 3 à 4 secondes pour réaliser une multiplication, le programme de recherches sera abandonné en 1940. Le dernier prototype, le Z4 à tubes électroniques sera détruit en 1944 pendant le bombardement de Berlin. Introduction à l’informatique industrielle JP Couillault - Lycée Polyvalent de SENS Introduction à l'architecture des ordinateurs. page 2 Les progrès technologiques : le tube électronique découvert par Lee de Forest (Etats Unis 1873 - 1961) en 1906 mettra longtemps à trouver des applications. Les premiers ordinateurs à tubes électroniques seront ceux de Atanassof (USA) en 1939 et le Colossus de Alan TURING (Angleterre) en 1936. On verra apparaître à ce moment la notion d'algorithme. Algorithme : (mot d'origine arabe) suite d'opérations élémentaires permettant de résoudre un problème donné. En 1944, Aiken ouvre un centre de recherches. En 1946, il met au point l'ENIAC, ordinateur spécialisé dans le calcul de trajectoires balistiques. Surface au sol : 160 m², poids : 30 tonnes, constitué de 18000 tubes électroniques, consommant 50 kW, refroidi par deux énormes ventilateurs. A ce moment apparaît le terme de BUG (insecte) : la première panne de l'ENIAC a été provoquée par une mite qui avait dévoré l'isolant des fils d'un relais, provoquant un court circuit. Depuis cette époque, BUG (Bogue) désigne une erreur, terme surtout appliqué à un logiciel qui ne fonctionne pas. Le premier ordinateur IBM sortira en 1948. John Von NEUMANN crée un ordinateur fonctionnant avec un programme enregistré sur des cartes perforées, les données sont elles mêmes introduites sous forme de cartes perforées. Cette machine constituée de 13500 tubes électroniques et 21000 relais additionne 3500 nombres de 14 chiffres décimaux en 1 seconde. Un tube électronique, constitué d'une double triode constitue une mémoire élémentaire (T1 saturée et T2 bloquée = 1, T1 bloquée et T2 saturée = 0). Accélération des progrès technologiques : le transistor En 1948, trois ingénieurs américains BARDEEN , BRATTAIN et SHOCKLEY découvrent l'effet transistor. Il fallut plusieurs années pour que cette découverte soit utilisable dans le domaine grand public en raison de problèmes de production industrielle (tirage de monocristaux de Germanium, dopage P et N, réalisation de jonctions minces, ...). Les premiers récepteurs radio à transistors sortiront sur le marché en 1955. Le transistor, malgré ses imperfections est plus économe en énergie et nettement plus petit qu'un tube électronique. Ces premiers transistors, appelés transistors bipolaires seront suivis par d'autres types : FET (Field Effect Transistor) et MOS (Metal Oxyde Silicon Serniconductor) dans les années 1965. Les circuits intégrés : 1959 Un ingénieur de chez Texas Instruments, Saint Clair KILBY, dépose en 1959 un brevet d'inventions pour les circuits intégrés. Dispositif électronique dans lequel différents composants (transistors, résistances) sont réalisés sur une même plaquette de Gerrnaniurn et interconnectés avec des connexions d'aluminium. Cette technique permet de réaliser des circuits électroniques complexes, de faible encombrement et de faible consommation électrique. Depuis plusieurs familles logiques ont été développées : TTL : Transistor Transistor Logic ECL : Emitter Coupled Logic CMOS : Compementary MOS HCMOS : High Speed CMOS... La densité d'intégration a progressé de manière fulgurante : Introduction à l’informatique industrielle JP Couillault - Lycée Polyvalent de SENS Introduction à l'architecture des ordinateurs. page 3 Small Scale Integration, quelques dizaines de composants Médium Scale Integration, quelques centaines de composants Large Scale Integration, 500 à 5000 composants Very Large Scale Integration, 5000 à 50 000 composants, les premiers microprocesseurs font partie de cette famille ULSI : Ultra Large Scale Integration, de 50 000 à 1 000 000 composants SSI : MSI : LSI : VLSI : Un microprocesseur Pentium contient 3,1 millions de transistors. La guerre technologique : le premier microprocesseur, brevet déposé en 1970 par Gilbert HYATT est le résultat d'une erreur commerciale. C'est le 4004 de INTEL. Depuis, d'énormes progrès ont été accomplis. La logique TTL rapide consomme trop de puissance. Progressivement les logiques MOS ont gagné en rapidité et sont devenues plus facile à intégrer. La largeur des connexions dans les circuits intégrés est devenue inférieure au micron (actuellement 0,35 micron en production et 0,2 micron en laboratoire). La densité d'intégration augmente et on peut réaliser des circuits de plus en plus complexes. Des progrès de vitesse sont faits en explorant des technologies nouvelles, Silicium Silicon On Sapphire (SOS), Arséniure de Gallium (AsGa), Jonctions Josephson fonctionnant à l'état supraconducteur dans l'azote liquide (Seymour CRAY)... Pas de système informatique sans mémoire : avec des relais électromagnétiques ou des bascules bistables à tubes électroniques, on ne peut pas stocker beaucoup de données. De plus ces systèmes sont encombrants et consomment beaucoup d’énergie. Le premier dispositif utilisé a été la carte perforée ou la bande perforée. Fastidieux à perforer et à manipuler, long à charger dans l'ordinateur par un lecteur de cartes ou un lecteur de bande, cette méthode a conservé des applications spécifiques pendant assez longtemps. On a utilisé les tores de ferrite. L'information est stockée dans un petit anneau de ferrite que l'on aimante ou que l'on désaimante pour constituer les deux états 0 et 1. Ces mémoires sont encombrantes, difficiles à fabriquer (fabrication manuelle nécessitant des ouvrières spécialisées). Les tores sont aimantés et désaimantés par des impulsions électriques, la lecture est destructive et il faut réenregistrer l'information après lecture. L'accès est lent 100 à 1000 caractères par seconde, la capacité est limitée à quelques kilo-octets : 1 KILO-OCTET = 2 10 Octets = 1024 Octets. Les mémoires intégrées : RAM : Random Access Memory ou Mémoire vive. on peut accéder à n'importe quel moment à n'importe quelle case mémoire, aussi bien en lecture qu'en écriture. La commande de lecture écriture se fait grâce ou signal R/W. On obtient de fortes capacités mais l'information est volatile. SRAM : Static RAM facile à utiliser, ne nécessite pas de circuit annexes, chaque bit est stocké dans une bascule bistable à transistors. DRAM : Dynamic RAM plus compactes que les SRAM, elles ont une plus forte capacité au cm², les 1 sont matérialisés par la charge de minuscules condensateurs, (capacité de grille d'un transistor MOS). Comme ces condensateurs se déchargent, il faut rafraîchir le contenu périodiquement. Le circuit de rafraîchissement annexe réalise ce travail de remise à niveau de la tension dans les condensateurs. Introduction à l’informatique industrielle JP Couillault - Lycée Polyvalent de SENS Introduction à l'architecture des ordinateurs. page 4 RAM ces RAM à très faible consommation sont alimentées par un Sauvegardées : accumulateur quand la tension principale d'alimentation est coupée. L'accumulateur peut être externe ou interne à la RAM. ROM : Read Oniy Memory ou mémoire à lecture seule ou mémoire morte. elle permet de stocker indéfiniment des programmes ou des données. Dans une ROM, le contenu de la mémoire est fixé au moment de la fabrication suivant les spécifications du client (connexions réalisées ou non). Ceci n'est possible que pour une fabrication de moyenne ou grande série. PROM : Programmable ROM livrée « vierge » cette PROM est programmable par l'utilisateur à l'aide d'un logiciel et d'un matériel spécialisé (Programmateur de PROM). La programmation est destructive et irréversible (destruction de minuscules fusibles d'aluminium ou destruction de jonctions). EPROM : Erasable PROM ces mémoires sont effaçables aux ultraviolets (Effaceur d’EPROM). On les reconnaît à la fenêtre de quartz qui permet aux UV d'atteindre le semiconducteur. On peut effacer et reprogrammer ces EPROM des milliers de fois sans problèmes (ou presque ...). EEPROM : Electrically Erasable PROM programmables, elles sont effaçables électriquement sur place sans démontage. Les ROM servent à stocker des programmes figés, moniteur pour système informatique simple, programme de test et de lancement d'un ordinateur (BIOS en ROM), données, points de consigne pour un système automatisé, interpréteur de langage de commande, programmes dans les microcontrôleurs ... Les mémoires de masse ou mémoire secondaire : Le premier système a été la bande perforée, conservé assez longtemps pour certaines machines automatisées. Maintenant considéré comme lent et fragile, ce support n'est plus utilisé. Les bandes magnétiques utilisées depuis 1949, sont lentes à cause de l'accès séquentiel qu’elles imposent. Il faut en effet lire toute la bande pour arriver aux informations recherchées. En revanche elle sont de très forte capacité. Elles sont toujours utilisées pour sauvegarder périodiquement le contenu d'un disque dur (Streamer) ou pour stocker de très grandes quantité d'information (Dérouleurs de bandes). Disquette ou disque souple ou floppy disk : Inventé par un japonais Yoshiro Nakamoto en 1950, la licence d'exploitation est achetée par IBM. Les formats sont passés de 8 pouces à 5 pouces 1/4 puis à 3 pouces 1/2. Dans le même temps les capacités de stockage augmentent 140 Ko puis 1,2 Mo puis 1,44 Mo puis 100 Mo ... Disque dur ou hard disk : Inventé en 1962 par IBM sous le nom de code de Programme Winchester, le disque dur a constamment évolué : Capacité : de 10 Mo à plus de 10 Go maintenant. Vitesse d'accès : de 70 ms à 8 ms pour les disques actuels. MTBF : temps moyen de bon fonctionnement augmente : supérieure à 30 000 heures. Introduction à l’informatique industrielle JP Couillault - Lycée Polyvalent de SENS Introduction à l'architecture des ordinateurs. page 5 Vitesse de transfert : 5 Mo / s au début, on arrive à 33 Mo / s pour les interfaces EIDE et 40 Mo / s pour les interfaces SCSI. Les microprocesseurs, la course à la puissance : INTEL crée en 1972 le 4004. Ce programme lancé à la demande d'un client, pour des applications d'automatisme est finalement abandonné parce que trop coûteux. Les chercheurs se demandent ce qu'ils vont bien pouvoir faire avec ce circuit. 1976 : MOS Technologies sort le 6502. 1976 : Deux chercheurs, anciens de INTEL, créent la firme ZILOG et sortent le Z80 qui sera vendu à des millions d'exemplaires. 1977 : MOTOROLA sort le 6800. Deux étudiants passionnés par les techniques nouvelles, Steeve JOBS et Stephen WOZNIAK fabriquent leur ordinateur et créent la firme APPLE. 1978 : INTEL contre attaque avec le 8086. C'est Bill GATES, le jeune patron de MICROSOFT qui créera le système d'exploitation MS DOS, rendant ainsi possible la commercialisation des premiers Personal Computers en 1981. A cette époque, les constructeurs d'ordinateurs sont très nombreux : Tandy avec son TRS 80, Commodore, Zenith, Atari, Philips, ITT ... Depuis les deux leaders des microprocesseurs se livrent une guerre commerciale en sortant sans arrêt de nouveaux produits. Les processeurs gèrent des espaces mémoire de plus en plus étendus (64 Ko ... 4 Go ...). Capables au début de traiter uniquement des données de 8 bits, ils travaillent maintenant en 16 ou 32 bits. La vitesse de traitement augmente elle aussi, elle passe de 4,77 Mhz pour les premiers PC en 1980 à 500 Mhz pour certains modèles à fin 1999. MOTOROLA sort 6802, 6805, 6809, 68000, 68020, 68030, 68040 enfin en collaboration avec APPLE et IBM le POWER PC décliné en plusieurs versions 601, 602, 603, 620. INTEL sort le 80286, 80386, 80486 puis les Pentium (série 1 puis 2 puis 3) et le Pentium Pro. D'autres constructeurs tentent de prendre des parts de marché. NEC (Nippon Electronic Company), SUN avec ses processeurs SPARC, Silicon Graphics crée ses propres processeurs, CRAY toujours unique dans le domaine des processeurs cryogéniques, CYRIX et AMD qui fabriquent des processeurs compatibles INTEL, THOMSON seconde source pour MOTOROLA. De même les systèmes d'exploitation évoluent de façon à utiliser au mieux les possibilités des microprocesseurs, ou pour fournir des services particuliers aux utilisateurs (DOS, WINDOWS, UNIX, OS9, ...). A côté des applications nécessitant une très forte puissance de calcul, il existe des domaines utilisant des processeurs de faible puissance : • L'électroménager : machines à laver, four à micro-ondes, téléviseurs, magnétoscopes ... Introduction à l’informatique industrielle JP Couillault - Lycée Polyvalent de SENS Introduction à l'architecture des ordinateurs. page 6 • L’automobiles : gestion des paramètres moteur, systèmes de sécurité (ABS, radars ...), systèmes de positionnement et de guidage informatisés ... • Les appareils de mesure : oscilloscopes numériques, appareils IEEE, analyseurs de vibrations ... • Les télécommunications : multiplexeurs de lignes, commutateurs, transmetteurs VHF ... • Les systèmes de traitement de l'information : photocopieuses, appareils photo, scanners, fax, régies vidéo ... • Les automatismes • Les capteurs intelligents • Les applications domotiques • ... Tous ces appareils contiennent un ou plusieurs microprocesseurs ou microcontrôleurs. 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