Architecture d`un ordinateur

STRUCTURE D'UN SYSTEME INFORMATIQUE
Le terme anglais Computer signifiait au départ : calculateur numérique électronique. Le terme français
« Ordinateur » parait mieux adapté aujourd'hui ; il s'éloigne de la connotation numérique. L'ordinateur se
définit maintenant comme une machine à traiter l'information.
Un ordinateur est capable d'acquérir et de conserver des informations, d'effectuer des traitements et de
restituer les informations stockées
1 DÉFINITION :SYSTEME INFORMATIQUE
Un système informatique est l'ensemble des moyens logiciels et matériels nécessaires pour satisfaire les
besoins informatiques de l'utilisateur.
La notion de logiciel correspond à une généralisation de celle de programme (suite d'instructions
exécutables par la machines)
Un ordinateur est une machine électronique à programme enregistré, constitué par des ressources
logicielles (software) et par des ressource matérielles (hardware).
SCHÉMA GÉNÉRAL D'UN SYSTÈME INFORMATIQUE
En première approche, un ordinateur est constitué :
 d'un processeur qui effectue les traitements,
 d'une mémoire centrale où ce processeur range les données et les résultats de ces traitements
 des périphériques permettant l'échange d'informations avec l'extérieur.
Tous ces constituants sont reliés entre eux par l'intermédiaire de bus, qui sont les artères centrales et leur
permet de s'échanger des données.
Alain Boivin 1 UFR Sciences Humaines

Un système d'information nécessite des informations ou données en entrées. Ces données doivent être
codées (codage de l'information) pour être mise en mémoire dans la machine.
Par exemple: un A est entré au clavier, on transmet une impulsion électrique du clavier à l'unité centrale,
cette impulsion est codée en binaire 01000001 (code 65)
Ces informations sont traitées par le programme de traitement de textes dans le processeur (ou CPU) puis
sont restituées à l’écran
Mémoire centrale
(RAM)
Processeur central
(CPU)
Périphériques de
sortie :
•Écran
•Imprimante
•Hauts-parleurs
•Etc.
Périphériques de
communication :
•Carte d’interface réseau
•Modem
•Interface infra-rouge
•Etc.
Périphériques
d’entrée :
•Clavier
•Souris
•Manette de jeux
•Ecran tactile
•Scanner
•Appareil photo
•Microphone
•Etc.
Périphériques de
mémorisation :
(mémoire secondaire)
•Disque dur
•Disquette
•CD-ROM
•DVD
•Bande magnétique
•Etc.
D'un point de vue matériel, nous avons
L'unité centrale composée du processeur
et de la mémoire interne
Des périphériques d'entrée (1 seul sens)
Des périphériques d'entrée/sortie (2 sens)
Des périphériques de sortie (1 seul sens)
Alain Boivin 2 UFR Sciences Humaines

2 LE CŒUR DU SYSTEME
L'unité centrale est composée
 de l’unité centrale (CPU) composée elle-même :
de l'unité arithmétique et logique
de l'unité de commande et de contrôle
 de la mémoire centrale
 d’unités d’échanges.
2.1 Le processeur
Il est à la base de tous les calculs, c'est le "cerveau" de l'ordinateur. Il est caractérisé par sa marque (Intel
486, Intel Pentium, Intel Pentium III, Cyrix, AMD K6, etc.) et sa fréquence (elle dépasse actuellement 3
GHz). Le premier microprocesseur (Intel 4004) a été inventé en 1972. Depuis, la puissance des
microprocesseurs a augmenté exponentiellement
La cadence d'un processeur, exprimée en mégahertz (MHz), voire en gigahertz (GHz), est la fréquence
de ses " cycles d'horloge ".
Un circuit spécial de l'ordinateur, surnommé horloge et consistant en un quartz vibrant à haute fréquence,
comme dans les montres d'aujourd'hui, donne en effet le " top " nécessaire à toutes les opérations.
A chaque cycle, le processeur peut effectuer une opération élémentaire (faire une addition, aller chercher
une donnée en mémoire, écrire une donnée en mémoire, etc.).
La cadence des processeurs d'aujourd'hui dépasse 3 GHz et permet donc d'effectuer plus de trois milliards
d'opérations élémentaires par seconde.
A chaque top d'horloge (pour les instructions simples) le processeur:
o lit l'instruction à exécuter en mémoire
o effectue l'instruction
o passe à l'instruction suivante
Le processeur est en fait constitué
o d'une unité de commande qui lit les instructions et les décode
o d'une unité de traitement (UAL - unité arithmétique et logique) qui exécute les
instructions.
o De mémoires (ses registres)
o D’une horloge interne
Toutes ces opérations sont des informations numériques.
Les processeurs utilisent de petits transistors pour faire
des opérations de base ; il y en a plusieurs millions.
Le processeur travaille en fait grâce à un nombre très
limité de fonctions (ET logique, OU logique, addition...) ;
celles-ci sont des circuits électronique directement gravés
dans le micro-processeur.
2.2 La mémoire centrale
La mémoire centrale contient deux types d'information
Les instructions de différents programmes
Des données
II existe plusieurs types de mémoire
Alain Boivin 3 UFR Sciences Humaines

2.2.1 Mémoire RAM (Random Access Memory)
2.2.1.1 Caractéristiques
Deux caractéristiques essentielles :
 Mémoire dans laquelle on peut lire et écrire.
permet de stocker des informations pendant tout le temps de fonctionnement de
l'ordinateur (elle contient notamment le système d'exploitation, le(s) logiciel(s) et le(s)
document(s) en cours de traitement)
 Mémoire volatile.
elle perd son contenu dès la mise hors tension électrique, contrairement à une mémoire de
stockage (ou mémoire de masse) comme le disque dur qui garde les informations même
lorsqu'il est hors tension.
La mémoire vive se présente sous forme de barrettes qu'on implante sur la carte mère de l'ordinateur.
Chaque barrettes contient plusieurs puces de mémoire.
Il en existe plusieurs Types
o SIMM (
Single In-Line Memory Module ) : jusqu’à 9 puces
o DIMM (
Dual In-Line Memory Module ) : au maximum 18 puces
On peut augmenter la mémoire vive d'un ordinateur en rajoutant des barrettes de RAM, de capacité
variable.
Sur les machines actuelles, la taille de la RAM est de plus en plus importante (128 ou 256 Mo, et 512
Mo). Sur les PC des années 80, la RAM ne dépassait pas le Mega-octet.
Trois éléments caractérisent une mémoire :
o Le cycle d’écriture ou temps d’accès (en ns)
o La largeur du bus (en bits)
o La capacité (Ko ou Mo)
2.2.1.2 Les différentes technologies :
- La DRAM EDO (Extended Data Out, soit Sortie des données amélioré parfois également appelé
"hyper-page") est apparue en 1995. La technique utilisée avec ce type de mémoire consiste à
adresser la colonne suivante pendant la lecture des données d'une colonne. Cela crée un
chevauchement des accès permettant de gagner du temps sur chaque cycle. Le temps d'accès à la
mémoire EDO est donc d'environ 50 à 60 nanosecondes pour une fréquence de fonctionnement
allant de 33 à 66 Mhz.
Ainsi, la RAM EDO, lorsqu'elle est utilisée en mode rafale permet d'obtenir un gain de 4 cycles sur
l'accès à 4 données. Dans la mesure où la mémoire EDO n'acceptait pas des fréquences
supérieures à 66 Mhz, elle a disparu au bénéfice de la SDRAM.
- La SDRAM (Synchronous DRAM, traduisez RAM synchrone), apparue en 1997, permet une
lecture des données synchronisée avec le bus de la carte-mère, contrairement aux mémoires EDO et
FPM (qualifiées d'asynchrones) possèdant leur propre horloge. La SDRAM permet donc de
s'affranchir des temps d'attente dûs à la synchronisation avec la carte-mère. Celle-ci permet
d'obtenir un cycle en mode rafale de la forme 5-1-1-1, c'est-à-dire un gain de 3 cycles par rapport à
la RAM EDO. De cette façon la SDRAM est capable de fonctionner avec une cadence allant
jusqu'à 150Mhz, lui permettant d'obtenir des temps d'accès d'environ 10ns.
- La DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) est une mémoire basée sur la technologie
SDRAM, permettant de doubler le taux de transfert de la SDRAM à fréquence égale. Elle est
capable de tranférer de 133 à 266 Mo/s.
Alain Boivin 4 UFR Sciences Humaines

- La DR-SDRAM (Direct Rambus DRAM ou encore RDRAM) est un type de mémoire permettant
de transférer les données sur un bus de 16 bits de largeur à une cadence de 800Mhz, ce qui lui
confère une bande passante de 1,6 Go/s. Comme la SDRAM, ce type de mémoire est synchronisé
avec l'horloge du bus pour améliorer les échanges de données. En contrepartie, la mémoire
RAMBUS est une technologie propriétaire, ce qui signifie que toute entreprise désirant construire
des barrettes de RAM selon cette technologie doit reverser des droits (royalties) aux sociétés
RAMBUS et Intel.
2.2.1.3 Les mémoires RAM dans la machine
Registre du CPU : Ils servent au stockage des opérandes et des résultats intermédiaires (5ns).
Mémoire cache : Elle sert de tampon entre le CPU et la mémoire centrale (15 ns).
Lorsque le processeur d'un ordinateur exécute les instructions d'un programme chargé dans sa mémoire
vive , on constate que les mêmes instructions et les mêmes données tendent à réapparaître de façon
répétée lors d'une séquence donnée (notamment dans le cas des boucles d'instructions).
D'où l'idée, pour accélérer les traitements, d'aménager une zone de mémoire vive intermédiaire avec
laquelle l'échange est plus rapide. C'est la mémoire cache .
Sur les ordinateurs modernes, la mémoire cache est mise en oeuvre à l'intérieur même du
microprocesseur : une zone de transistors est réservée à cet usage dans l'architecture du
microprocesseur. Ainsi, au lieu d'" oublier " les instructions qu'il exécute et les données sur lesquelles
elles opèrent, le microprocesseur les stocke temporairement dans cette zone au cas où elles seraient à
nouveau sollicitées par le programme avant qu'elles aient été remplacées par d'autres.
L'avantage est que la mémoire cache, placée au plus près du coeur du processeur (l'UAL), fonctionne à
la même cadence que ce dernier et n'occasionne donc presque aucun ralentissement. L'inconvénient, c'est
que sa capacité est nécessairement limitée à quelques ou quelques dizaines de kilo-octets .
On a alors imaginé de mettre en oeuvre un second niveau de mémoire cache (en anglais Level-2 Cache
ou L2). Placée à l'extérieur du microprocesseur et proche de ce dernier, le cache de niveau 2 lui est relié
par une liaison qui, sans être rythmée à la même cadence que le processeur, est tout de même 2 à 3 fois
plus rapide que la vitesse du bus interne. Ce que l'on perd en vitesse, on le gagne en capacité, puisque la
mémoire cache de second niveau fait en général plusieurs centaines de kilo-octets.
Mémoire centrale : Elle est utilisée pour le rangement des informations; Elle contient s programmes à
exécuter et les données traitées. (60 ns).
Mémoire d’appui : C’est la mémoire tampon qui se situe entre la mémoire centrale et les mémoires de
masse (100 ns).
2.2.2 Mémoire ROM (Read Only Memory)
C’est une mémoire morte. Elle ne permet que la lecture. Elle contient des informations qui ne peuvent
pas être modifiées. Par exemple sur le programme de lancement de la machine, son programme d’auto-
test. Mémoire dans laquelle on ne peut que lire l’information.
Mémoire permanente (conserve indéfiniment son contenu).
Aujourd'hui nous trouvons des mémoires « intermédiaire EPROM » (Erasable
Programmable ROM) qui peuvent être effacées un certain nombre de fois. Ces
mémoires ne peuvent pas pour autant servir de rom. Elles sont utilisées dans les
PC pour mettre à jour le BIOS c'est à dire le programme de configuration de la
machine.
2.3 Les Bus
Alain Boivin 5 UFR Sciences Humaines