Cours Architecture des Systèmes Informatiques
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Cours Architecture des Systèmes Informatiques Jean-Jacques Girardot [email protected] Première séance 21/09/99 - 28/09/99 Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 1 Cours ASI : Plan Général Horaire : 8 séances, cours 1h30, td/tp 1h30, examen • A : 21/09, 23/09, 7/10, 15/10, 18/10, 28/10, 29/10, 12/11 • B : 28/09, 30/09, 7/10, 8/10, 18/10, 22/10, 28/10, 15/11 Structuration du cours • • • • • • • • Présentation générale ; matériel Structures des ordinateurs, nombres, arithmétiques Instructions, adressage, registres Compilation, exécution, allocation de la mémoire, pile Système d’exploitation, interruptions, périphériques Gestion de la mémoire, pagination Entrées/sorties, disques, fichiers Virus et sécurité Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 2 Cours ASI : buts Instruire l’ingénieur, satisfaire une curiosité technologique... Accompagner le cours “Structures de données, Algorithmes et Objets” Comprendre les disfonctionnements liés à des défaillances du matériel ou du logiciel… ou à une mauvaise utilisation de ceux-ci. Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 3 Support de cours Transparents, exercices • Distribués à chaque cours Logiciels • Simulateur, Assembleur, Compilateur C Sur • le Web http://kiwi.emse.fr/ASI/ Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 4 L’ordinateur Un outil universel • tous les aspects de notre vie quotidienne Déclinaisons multiples • gros systèmes, ordinateurs personnels, systèmes intégrés Une combinaison • Matériel : la “machine” • Logiciel : les “programmes” Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 5 Une brève historique • tubes à vide ; Alan Turing Blaise Pascal 1623-1662 • Pascaline 1642 add./sous. ENIAC 1946 [USA] • Eckert/Mauchley [arith. décimale] von Leibnitz 1648-1716 • mult./div. 1672 COLOSSUS 1943 [UK] Transistor 1948 [Bell Labs] Charles Babbage 1792-1871 Calculateurs “modernes” • machine à différences add./sous., tables numériques • machine analytique [cart. perf.] programmable (inachevée) Konrad Zuse 1919-1995 • Z1, relais, 1936 • • • • • • DEC PDP1, 1960 [miniordinateur] IBM 7094, 1962 [calcul scientifique] IBM 1401, 1969 [gestion] Intel 8080, 1974 [“puce”] Cray Cray-1, 1974 [superordinateur] IBM PC, 1980 [micro] Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 6 Von Neumann 1903-1957 Mathématicien 1943-1945 : EDVAC “Electronic Discrete Variable Automatic Computer” • concept de programme enregistré Machine de Von Neumann • IAS, Princeton University, 1952 Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 7 Architecture de Von Neumann UC BUS MEM UC : unité centrale • Anglais : CPU (Central Processing Unit) • Central Arithmetic Unit, Central Control Unit, (Input/Output devices) BUS : dispositif de transfert d’information MEM : mémoire • Anglais : RAM (Random Access Memory) Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 8 Programmes et données MC 0x54 0x4F l’IAS • 4096 mots de 40 bits • Unité arithmétique et logique, un Accumulateur • Unité de commande instructions 20 bits code 8 bits, adresse 12 bits • Programmes et données sont représentés en mémoire centrale 0x54 0x4F UC BUS Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 9 Schéma d’un ordinateur CPU RAM vidéo ACIA RAM Contrôleur Disque Contrôleur Disquette BUS ACIA : Asynchronous Communications Interface Adapter Le bus permet et régule les communications entre les différents composants Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 10 L’unité centrale ALU Arithmetic & Logical Unit, ou UAL • opérations arithmétiques de base • décalages, opérations logiques • décodage fonction Registres adresses, données, état • minimum : 1 registre adresses, 1 registre données Unité de commande • exécution des instructions Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 11 Générations et Performances Première génération • tubes à vide 1945-1955 Deuxième génération • transistors 1955-1965 Troisième génération • circuits intégrés 1965-1980 Quatrième génération • LSI, VLSI (Very) Large Scale Integration 1980... Performances : MIPS • Millions of Instructions Per Second Quelques chiffres : • • • • • • • Intel 8080, 1974, 0.02 mips Intel 8086, 1978, 0.2 mips Intel 80286, 1982, 1 mips Intel 486 DX/66, 1992, 20 mips Intel Pentium 60, 1994, 100 mips Intel Pentium Pro, 1996, 300 mips Dec Alpha 21164, 1995, 1200 mips Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 12 Tubes à vide plaque grille Ensemble placé sous vide Le filament chauffe la cathode qui émet des électrons (effet Edison) cathode Les électrons vont vers la plaque si on porte celle-ci à un potentiel plus élevé que la cathode filament Des variations du potentiel de la grille influent sur ce flux d’électrons Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 13 L’ENIAC Electronic Numerical Integrator And Calculator, 1943-1945 18000 tubes calcul d’une trajectoire en deux jours Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 14 Transistor Décembre 1947 Transistor au germanium Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 15 Transistors Substrats typiques : silicium, germanium Dopants “n” : phosphore, arsenic Dopants “p” : bore, gallium Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 16 Transistor MOS - Metal Oxyde Semiconductor • Support : silicium doppé au bore • Source et drain : phosphore • Electrodes métalliques • La zone autour de la porte (Gate) constitue un condensateur • Une charge positive sur la porte crée un afflux d’électrons dans le substrat. • Cette zone permet le passage du courant du drain vers la source. Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 17 Transistor MOS État “OFF” État “ON” Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 18 Transistor MOS canal n Schéma et montage Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 19 Transistor MOS - canal p Schéma et montage Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 20 MOS Complémentaires Schéma de base Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 21 Inverseur CMOS Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 22 Microprocesseurs - le 4004 http://www.intel.com/intel/museum/25anniv/html/hof/4004.htm Intel 4004 - 1971 • Mots de 4 bits • 46 instructions sur 8 bits • 16 registres 4 bits ou 8 registres 8 bits • 1 k de données, 4 k de programmes • 2300 transistors • cycle de 10.8 s • ~ 0.001 mips ? Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 23 Microprocesseurs - le 8080 http://www.intel.com/intel/museum/25anniv/html/hof/8080.htm Intel 8080 - 3/1/1974 • Mots de 8 bits • bus adresses 16 bits, bus données 8 bits • 7 registres 8 bits, A à E,H,L, BC, DE, HL 16 bits • 64 k octets adressables • 6000 transistors • 2 MHz • ~ 0.02 mips ? Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 24 Microprocesseurs : Le Pentium© Pro Intel Pentium Pro 27/3/95 • bus interne 300 bits • bus externe 64 bit • mémoire : 4 Go • mémoire virtuelle : 64 To • processeur 5.5 M transistors • cache intégré : 62 M transistors (pour 1Mo) • 166, 180, 200 MHz Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 25 Intel : Pentium Pro Le chip de ce boîtier comporte un processeur et 1Mo de cache Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 26 Evolution des microprocesseurs la gamme Intel 8080 8086 8088 80286 80386 80486 Pentium Pent.Pro Pent.II Pent.III Horloge Bus Adress. Cycles (MHz) données /ADD Puiss. (mips) Nombre Date Trans. Intro. 2 5,8,10 5 8,10,12 16 à 33 25 à 50 60 à 166 150-200 300-450 450-600 0.02 0.72 6000 8 bits 16 bits 8 bits 16 bits 32 bits 32 bits 64 bits 64 bits 64 bits 64 bits 64 ko 1 Mo 1 Mo 1 Mo 4 Go 4 Go 4 Go 4 Go 4 Go 4/64 2.66 6 2 1 3nbr. 1974 1978 30000 1979 134000 1982 275000 1985 1.1 M 1989 3.1 M 1992? 5.5 M 1995 1997 9.5 M 1999 Autres Caractéristiques Pipe-line 6 octets Gestion de mémoire Addr. virtuel 64 To Burst 16 o ; cache 8k 2 inst. simult. ; RAM Burst 32 o ; cache 32+1M Extensions multimedia Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 27 La mémoire Conservation de l’information Caractéristiques • Situation, capacité, méthodes d’accès, performances • Nature : magnétique, optique, semi-conducteurs • Propriétés : volatile/non, effaçable/non, etc Organisation, hiérarchie • CPU : registres, cache • Mémoire centrale • Mémoire secondaire : disque, CD, bande magnétique… Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 28 Types de mémoire “centrale” RAM, Random Access Memory Technologie : • Tores de ferrite • Semiconducteurs • Circuits intégrés : RAM SRAM : Static RAM (bistable) DRAM : Dynamic RAM (cond.) • Temps d’accès 120 à 20 ns. Autres types de mémoire • ROM, Read Only Memory PROM, Programmable ROM EPROP, Erasable PROM EEPROM, Electrically Erasable PROM • VRAM : Video RAM • Mémoire cache (périphériques) Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 29 Barettes Mémoire SIMM • Single In-line Memory Module • Carte enfichable (2cm 10cm) 8 N ou 9 N chips • Capacité : 1Mo (1993) à 64 Mo (1997) • 30, 72 pins • Temps d’accès : 60 ns. DIMM • Dual In–Line Memory Module Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 30 Le bus Ensemble de “fils” connectant des unités fonctionnelles au sein d’un ordinateur Bus interne CPU cache [300 bits - Pentium pro] Bus interne à une machine [lignes dédiées] • lignes adresses [16, 32, 48 bits] • lignes données [8, 16, 32 ou 64 bits] • lignes pour signaux de contrôle + logique Bus externe [lignes multiplexées] • nappe + logique • Arbitrage : centralisé/décentralisé ; Synchrone/non Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 31 Schéma de fonctionnement du bus Connexion entre le processeur et la mémoire • exemple : lecture d’un mot de la mémoire Memory Read Processeur lignes adresses Mémoire lignes données Transfert ACK Memory Read : le processeur signale qu’il a placé l’adresse sur la ligne Transfert ACK : la mémoire répond que les données sont disponibles Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 32 Terminologie des bus d’un PC Bus local : ISA et/ou PCI • Industry Standard Architecture, adressage 16 bits (64 ko), 8 MHz • Peripheral Component Interconnect (plus récent), 33 MHz Vitesses “carte mère” : 66, 75, 83, 100 (133, 200) MHz Bus externe • IDE : Integrated Drive Electronics connexion carte mère contrôleur disque • SCSI : Small Computer System Interface 7/14 périphériques, 8/16 bits, 10 Mb/s. Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 33 Carte mère et Bus PC Format standard • Classique (AT), ATX Supporte : • processeur (ou carte fille Slot1) • mémoire (RAM, cache, BIOS) SIMM, DIMM • “chipset” (gestion logique bus) • bus ISA et/ou PCI • peut inclure un contrôleur SCSI • cartes d’extention • connecteurs divers périphériques, alimentation Ex : carte Pentium Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 34 Carte mère Pentium Pro Ecole des Mines de Saint-Etienne. 158, cours Fauriel. 42 023 Saint-Etienne Cedex 2. Tél. 04 77 42 01 23. Fax. 04 77 42 66 66. 35
