Architecture des ordinateurs

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Chapitre 2 : ELEMENTS D'ARCHITECTURE DES ORDINATEURS
Objectifs du chapitre
- Découvrir les éléments constitutifs d’une "machine numérique"
- Comprendre leur organisation fonctionnelle
- Avoir une idée de l’architecture des microprocesseurs
- Découvrir les critères d’évolution
I/ GENERALITES ET PETIT HISTORIQUE
1/ Définitions
Ordinateur : Grosse calculatrice électronique, dotée de
mémoires de grande capacité, de moyens de traitement des
informations à grande vitesse, capable de résoudre des
problèmes arithmétiques et logiques complexes grâce à
l'exploitation automatique de programmes enregistrés
(Robert).
Un ordinateur est concrètement un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données sous
forme binaire, c'est-à-dire sous forme de bits (BInary digiT) : 0 ou 1.
L'informatique : Science du traitement automatique et rationnel de l'information, considérée comme le support des
connaissances et des communications. C'est aussi l'ensemble des applications de cette science, mettant en œuvre des
matériels et des logiciels.
• Informatique théorique : langages …
• Informatique méthodologique : analyse, programmation …
• Informatique technologique : composants, mémoires …
• Informatique système : architecture, réseaux …
2/ Petit historique
1945 : 1er ordinateur entièrement électronique : l’ENIAC (Electronic
Numerical Integrator and Computer) commandé en 1942 par
l’armée américaine afin d’effectuer les calculs de balistique. Il
comprend 17000 tubes (ancêtre du transistor), pèse 30 tonnes
et consomme 160 kW ! Il tourne à 100 kHz et peut effectuer
100 000 additions ou 357 multiplications par seconde.
1948 : Les premières machines à architecture de Von Neumann
apparaissent : les composants sont organisés en 5 groupes principaux
: unité arithmétique et logique et unité de contrôle (processeur),
entrées, sorties, mémoires. Les programmes sont stockés dans la
même mémoire que les données et peuvent ainsi être manipulés
comme des données.
L’architecture des ordinateurs actuels dérive de celle-là !
Informatique
Le processeur AMD de la PS4 :
2 x 4 cœurs à 2 et 1,5 GHz +
processeur graphique intégré.

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1947/1948 : Invention du transistor : il devient beaucoup plus facile et
moins coûteux de réaliser des opérations sur des 0 et des 1,
physiquement réalisés par des interrupteurs (courant passe / courant
ne passe pas). Le transistor est cet interrupteur.
1956 : IBM sort le premier système à base de disque dur, le Ramac 305. L'IBM 350 utilisait 50 disques de 24 pouces en
métal, avec 100 pistes par face. Il pouvait enregistrer cinq mégaoctets de données et coûtait 10000 $ par
mégaoctet !
1958 : Invention du 1er circuit intégré. L’un de leurs premiers usages était dans les systèmes embarqués, notamment par
la NASA dans l’ordinateur de guidage d’Apollo. Le circuit intégré autorise le développement d’ordinateurs plus
compacts. On les appela les mini-ordinateurs.
1971 : Intel sort le premier microprocesseur commercial, le 4004, qui contient plusieurs
milliers de transistors. Un microprocesseur regroupe la plupart des composants de
calcul (horloge et mémoire mises à part pour des raisons techniques) sur un seul
circuit. Le 4004 réalisait 60 000 opérations par seconde (fréquence : 108 KHz).
Fin des années 1970 : Le processeur Intel 8080 amène la première vague d’ordinateurs
personnels (PC). Le système MS-DOS de Microsoft voit le jour (en Basic). En 1976, Steve
Wozniak conçoit l’Apple I, doté d’un processeur à 1 MHz. Il vend avec Steve Jobs environ
200 machines à 666 $ l’unité. Il est doté d’un microprocesseur et d’un clavier, mais il n'a
pas d'écran !
Années 1990 : Cette décennie fut marquée par le développement de
l'Internet et l'apparition de la Toile (Web : ensemble de pages
en HTML mélangeant du texte, des liens, des images,
adressables via une URL et accessibles via le protocole HTTP).
C’est la convergence de l'informatique et des
télécommunications.
Depuis 2006 : Saut technologique dans l'évolution des PC : INTEL sort une gamme de processeurs multicœurs Core,
Core 2, Core i3, i5 et i7 sur des architectures Nehalem, Sandy Bridge puis Haswell et Broadwell 64 bits.
L'architecture est adaptée selon l'utilisation sur PC de bureau ou appareil portable. Les fréquences vont jusqu'à
3,5 GHz !
Actuellement : avènement du tactile, appareils multifonctions (smartphones).
Futur : à vous d'imaginer…

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II/ STRUCTURE MATERIELLE ET DIFFERENTES FONCTIONS TECHNIQUES REALISEES
1/ Prenons un exemple de PC, vu de l'extérieur
2/ Les ports (ou interfaces) de communication externes
Une machine numérique capable d’effectuer des millions de calculs à chaque seconde est sans intérêt si elle garde ses
résultats pour elle. Les périphériques (cf. V) permettent au système de communiquer avec l’homme ou avec d'autres
systèmes, ou encore de stocker des informations. Cette fonction de communication est assurée par des "ports".
Port Série RS232
Connecteur de type D-SUB, ici DB9.
Principe de la transmission série : Les n bits de la donnée à communiquer sont envoyés les uns après les autres (en
série) sur un seul fil de liaison.
Historiquement, le port série est le premier port de communication utilisant une transmission série (norme RS232). Son
débit est au maximum de 19,2 kbps ou kb/s (kilo-bits par seconde). Il a été très longtemps utilisé pour sa simplicité de
configuration et de pilotage. C'est d'ailleurs le protocole de communication mis en œuvre pour un grand nombre de
système du laboratoire : MAXPID, cordeuse, DAE, etc.
Ce connecteur est cependant en voie de disparition, remplacé depuis quelques années par l'USB.
Port USB
USB (Universal Serial Bus) est un protocole de communication série universel apparu en 1996 (USB 1.0). Il a révolutionné
les connectiques PC-périphériques en instaurant un environnement "tout USB", uniformisant enfin les modes de
communication avec l'ordinateur... Ses principaux concurrents sont désormais les protocoles sans fil Bluetooth et WiFi.
Face avant
Face arrière

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Un futur port polyvalent ? Thunderbolt 3
Évolution :
Version
USB 1.0
USB 1.1
USB 2.0
USB 3.1
Débit
1,5 Mb/s
12 Mb/s
480 Mb/s
10 Gb/s
Il permet le chaînage de 127 périphériques reliés en bus ou en étoile, le "hot pluggin"
(connexion à chaud et reconnaissance automatique) et assure l'alimentation électrique
(15 W max. par périphérique).
Port Parallèle
Connecteur de type D-SUB, ici DB25.
Principe de la transmission parallèle : Les n bits de la donnée à communiquer sont simultanément présents sur le
câble de transmission.
Le port parallèle est en voie d'extinction, comme le port série RS232. Il était autrefois le plus souvent utilisé pour la
communication PC-imprimante car il était le plus rapide (16 Mb/s).
Port PS/2
PS/2 (Personal System/2) permet la connexion du clavier et/ou de la souris ; il est également supplanté par le standard
USB depuis quelques années mais également de plus en plus par le Bluetooth.
Port VGA
VGA (Video Graphics Array) est un port de type analogique destiné
à la communication avec un écran ou un vidéoprojecteur.
Port DVI
DVI (Digital Visual Interface) est de type numérique non HD ; il
apporte donc une amélioration en termes de réduction du
bruit par rapport au port VGA analogique.
Port HDMI
HDMI (High Definition Multimedia Interface) est de type numérique et permet la transmission de signaux au format HD.
Il existe différents niveaux de norme HDMI.
Port Réseau RJ45
RJ45 (Registered Jack) permet la connexion filaire à un réseau local (LAN : Local Area Network) selon le protocole
Ethernet. Différents protocoles existent, spécifiant différents débits :
Protocole
Gigabits
10G Base-X
100G Base-X
Débit
1 Gb/s
10 Gb/s
100 Gb/s
3/ On ouvre l'unité centrale d'un ordinateur : les éléments internes
Il est intéressant de modéliser un ordinateur par analogie avec l’homme :
On va donc logiquement trouver à l'intérieur d'une unité
centrale :
- un ou plusieurs processeurs : fonction traitement des données ;
- de la mémoire : fonction mémorisation des données et
programmes ;
- des ports ou interfaces (communication avec l'extérieur) mais
aussi des bus (communications internes) : fonctions acquisition
des entrées, affectation des sorties, dialogue et communication.
Nouveau USB : type C

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Toutes les machines numériques à processeur (y compris une tablette ou un smartphone) sont basées sur cette
architecture fonctionnelle :
Sur le PC pris en exemple tout à l'heure :
L'intérieur de la tablette SONY S