1. Histoire de l`électronique

21/12/2012
1. Histoire de l’électronique et de l’informatique
Les systèmes à microprocesseur
Quelques dates clés
Prof :Zakaria INFOMATHS La réplique du premier transistor
«Tout ce qui peut être inventé a été inventé.»
Charles H. Duell, Délégué auxProf Zakaria InfoMaths
brevets Américains, 1899
Le processeur, ou CPU (de l'anglais Central Processing Unit, « Unité centrale de traitement »), est le composant de l'ordinateur qui exécute les programmes informatiques. mémoire notamment, c'est l'un des Avec la composants qui existent depuis les premiers ordinateurs et qui sont présents dans tous les ordinateurs. Fonctionnellement, le processeur est la partie d’un ordinateur qui exécute les instructions et traite les données des programmes
Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dans un unique circuit intégré..
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1904 ‐ la diode par John FLEMING : Premier tube à vide.
1907 ‐ la triode par L. DE FOREST : Mise au point à partir de la diode de J. FLEMMING, sur laquelle il rajoute une feuille métallique, "l'audion" qui s'appellera ensuite "triode" est un amplificateur d'intensité électrique.
La première "lampe" réellement utilisable a été mise au point en France par H. ABRAHAM 1919 ‐ Basculeur (flip‐flop) de W. H. ECCLES et F. W. JORDAN C'est un circuit électronique bistable, composé de deux triodes. Il faudra encore une quinzaine d'années avant que l'on s'aperçoive que ce circuit pouvait servir de base à l'utilisation électronique de l'algèbre de BOOLE.
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1. Histoire de l’électronique
1. Histoire de l’électronique
1940 ‐ Circuit Imprimé Les composants devenant de plus en plus petits, on les fixe sur des petites plaquettes isolantes sur lesquelles ces composants sont reliés électriquement par des pistes métalliques très fines.
1959 ‐ Transistor à effet de champ Plus proche de la triode que ne l'est le transistor bipolaire, celui‐ci est composé d'une électrode appelée grille qui module la conductance entre une zone dite source et une autre dite drain.
1959 ‐ Circuit intégré par Jack KILBY
Le principe consiste à fabriquer dans un même bloc de semi‐
conducteur (une puce ) plusieurs composants (résistances, condensateurs, transistors). Cette idée sera reprise quelques mois plus tard par Robert NOYCE qui intégrant la technologie planar mettra au point des procédés toujours utilisés aujourd'hui.
1947 ‐ Le transistor bipolaire à jonction
Le commencement de l’électronique « moderne »
1954 ‐ Transistor au silicium Beaucoup moins cher, plus facile à produire et à utiliser (mais hélas ayant une vitesse de conduction moins élevée) que le germanium, le silicium va devenir le symbole d'une nouvelle ère.
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1960‐ Diodes Électroluminescentes Fabriquées à l'aide de semi‐
conducteurs (sous forme d'alliage binaire de Phosphure de Gallium et d' Arséniure de Gallium), ces diodes ont la propriété d'émettre de la lumière dans le spectre infrarouge ou visible. Leurs principales qualités sont une très faible consommation, une grande rapidité et une durée de vie quasi‐illimitée.
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1970 ‐ Technologie M.O.S (Metal Oxyde Semiconductor)
Cette technologie permet de fabriquer des transistors plus petits et plus rapides. Une course à la densité, à la vitesse et à la consommation commence... On parle alors de SSI (Small Scale Integration) : 30 à 80 transistors, MSI (Medium Scale
Integration) , LSI (Large Scale Integration) , VLSI (Very Large Scale Integration) ...
2. Les microprocesseurs
Historique
1971 ‐ Le premier microprocesseur: le 4004 d'Intel
Il comporte 2300 transistors et exécute 60 000 opérations par seconde à une fréquence de 108 Khz.
Sa puissance était égale à celle de l'ENIAC
1974‐ Un français Roland Moreno dépose les brevets de la carte à puce, objet fait d’une lame de plastique standardisée sur laquelle est déposée une puce. Cette dernière dispose d’un microprocesseur lui permettant de faire des calculs, d'une mémoire permettant de les traiter et d’un port pour communiquer avec les ordinateurs. Dès 1981, la carte à puce est utilisée dans les cartes bancaires françaises, mais elle aura aussi des applications dans la téléphonie grâce aux cartes téléphoniques puis aux cartes SIM. Prof Zakaria InfoMaths
Intel® 4004 microprocessor
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«J'ai parcouru le pays de long en large et parlé avec les meilleurs personnes,
et je peux vous assurer que l'informatique est une lubie qui ne durera pas plus d'un an.»
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2. Les µprocesseurs 2. Les µprocesseurs et µcontroleurs
Parti de 2300 transistors intégrés dans une puce en 1971 cadencé à 108 kHz (<0.5 mips) (Intel 4004), les µproc actuels sont composé de 2 x 410 000 000 transistors cadencé à 3200 Mhz pour une puissance de calcul de 2 x 24 200 MiPS
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Cette miniaturisation a permis :
¾d'augmenter les vitesses de fonctionnement des processeurs, grâce à la réduction des distances entre les composants, entre autres
¾de réduire les coûts, grâce au remplacement de plusieurs circuits par un seul, entre autres ;
plusieurs circuits par un seul, entre autres
¾d'augmenter la fiabilité : en supprimant les connexions entre les composants du processeur, on supprime l'un des principaux vecteurs de panne ;
¾de créer des ordinateurs bien plus petits : les micro‐
ordinateurs ;
¾de réduire la consommation énergétique
Jusqu’au début des années 1970, les différents composants électroniques formant un processeur ne pouvaient pas tenir sur un seul circuit intégré. On devait donc les placer sur plusieurs circuits
donc les placer sur plusieurs circuits intégrés. En 1971, la société américaine Intel réussit, pour la première fois, à placer tous les transistors qui constituent un processeur sur un seul circuit intégré donnant ainsi naissance au microprocesseur.
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La finesse de gravure permettant des motifs de plus en plus petits, on arrive a intégrer de plus en plus de transistor par unité de surface : L’intérêt principal est la réduction de l’encombrement de la carte électronique avec toujours plus de puissance de calcul à cout constant.
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•Nombre de transistors : le nombre de transistors contenus
dans le microprocesseur.
•Finesse de gravure (nm) : le diamètre (en nanomètres) du plus
petit fil reliant deux composantes du microprocesseur. En
comparaison, l'épaisseur d'un cheveu humain est de 100 microns
= 100 000 nm.
•Fréquence de l’horloge : la fréquence du signal d'horloge
d horloge
interne qui cadence le microprocesseur. MHz = million(s) de
cycles par seconde. GHz = milliard(s) de cycles par seconde.
•Largeur des données : le premier nombre indique le nombre de
bits sur lequel une opération est faite. Le second nombre indique
le nombre de bits transférés à la fois entre la mémoire et le
microprocesseur.
•MIPS : le nombre de millions d’instructions effectuées par le
microprocesseur en une seconde.
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3. La logique programmée
contre la logique câblée
‘
Unité de commande
Mémoire de
donnée
(RAM)
Mémoire
é i de
d
programme
(ROM)
microprocesseur
Unité Arithmétique et Logique
Horloge
Coupleurs
d’E/S
Etc..
Structure simplifiée d’une carte µprogrammée
«Je pense qu'il y a un marché mondial pour environ 5 ordinateurs.»
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Thomas WATSON, président d'IBM, 1943.
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• En logique câblée, les informations sont En logique câblée
traitées en parallèle par autant d’opérateurs logiques qu’il est nécessaires. => Complexité de traitement limitée.
• En logique programmée, un opérateur unique En logique programmée
capable de réaliser plusieurs opérations (OU, ET, +, ‐ , x, etc.) traite séquentiellement les informations en fonction des ordres élémentaires appelés des instructions.
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Utilisation de composants ayant une grande densité d’intégration ‐> Carte électronique de faible encombrement.
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• Processus à base de µprocesseur =
– Liste des instructions, rangée en mémoire
– Élément capable d’effectuer ces instructions
le processeur
– Moyens de recevoir/émettre des données
les interfaces ou périphériques – Des liaisons électriques entre ces organes
les bus
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– Une horloge (cadence l’exécution)
• AVANTAGES DE LA LOGIQUE PROGRAMMEE
Les composants utilisés sont programmables : L’application peut être mise au point ou totalement modifiée.
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• Architecture de base
Mémoire de
programme
(ROM)
Mémoire de
donnée
(RAM)
Unité de commande
microprocesseur
Unité Arithmétique et Logique
Horloge
Coupleurs
d’E/S
Etc..
Périphériques
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BUS
• Un bus informatique est un système de communication entre les composants d'un ordinateur. Ce terme regroupe donc indifféremment les systèmes matériels
indifféremment les systèmes matériels constituant le support de communication (câble, fibre optique, etc.), mais aussi le logiciel et le protocole associé
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• le front side bus relie le microprocesseur à la mémoire vive sur de nombreux ordinateurs, et le bus PCI relie soit le microprocesseur ou bien un autre composant appelé chipset d'un
un autre composant appelé chipset d
un ordinateur aux connecteurs d’extension du même nom, et à la carte qui y est insérée.
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• Le Décodage d’adresse
Pour éviter les conflits de bus, on met en place un décodeur d’adresse qui valide LE CIRCUIT
avec lequel le µP veut communiquer (un seul à la fois). Au préalable on défini un PLAN MEMOIRE de l’espace adressable par le µP.
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Constitution d ’un µProcesseur (CPU)
• Exemple de plan mémoire
L'unité de gestion de bus
Une unité d'instruction
L'unité d'instruction
L'unité d’exécution
est constituée
est constituée
(ou unité de commande, des éléments suivants : (ou unité d'entrées‐sorties),
en anglais control unit)
gère les flux d'informations
Elle lit les données arrivant,
1 ‐
2.Compteur Ordinal 3. Registre d’instruction
1. Unité Arithmétique et Logique
2. Unité a Virgule Flotante
3. Le Registre d’état
4. Le Registre Accumulateur
entrant et sortant,
Le séquenceur (ou bloc logique
(ou compteur
les décode puis les envoie à
(notée UAL ou en anglais ALU)
de commande) chargé de
(notée FPU, pour
Il contient des informations sur
(W chez microchip, A et B chez
en interface avec la mémoire vive
De programme PC) :
contient l’instruction à exécuter l'unité d'exécution.
l’opération exécutée :
L’ALU
du système ou des
Floating
Synchroniser l'exécution des
Motorola)
Il contient l'adresse
assure les fonctions basiques
Point Unit) :de
de calcul arithmétique et les
(C’est
Exemple : Résultat null, Retenue
Elle accomplit les calculs
autres périphériques; instructions au rythme de horloge.
C’est un registre privilégié associé à
La prochaine instruction à exécuter ;
elle qui assure la gestion de
etc…
opérations logiques
l’ensemble au rythme
complexes non entiers que ne peut
Il est ainsi chargé de l'envoi des
C’est un compteur de m bits (m=16 L’UAL. Toutes les données traitées
de l’horloge)
(ET, OU, Ou exclusif, etc.) ; réaliser l'unité arithmétique et
pour un pic) qui est incrémenté
signaux de commande ; par le µP passent par lui.
logique.
automatiquement à chaque
nouvelle instruction.
$0003
$0000
Périphérique 1
Espace Libre
RAM
ROM
Espace adressable
du µP (65536@)
$2000
Espace Libre
$4FFF
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4. Les langages de programmation
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• Un µP ne sait exécuter que des opérations arithmétiques et logiques élémentaires définies par son jeux d’instruction.
• Le rôle du programmeur est donc d’analyser la tâche à accomplir pour la décomposer en une suite d’instruction à exécuter dans un ordre ordonné. . ordonné
Cet ensemble d’instructions constitue le Cet ensemble d’instructions constitue le programme.
Exemple de langage évolué
«L'époque des PC est terminée..»
Lou Gerstner, Directeur d'IBM, 1998.
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• Il existe plusieurs niveau de langage.
Niveau 1 : Le langage machine : Langage de plus bas niveau. C’est le seul langage que comprend la machine car toutes les instructions et données sont codées en binaire. C’est le rôle des compilateurs de générer ce code. C’est ce code là qui est transférer dans la machine.
Niveau 2 : Langage assembleur : Les instructions ne sont pas représentés par des nombres mais par des mnémoniques. Un mnémonique est une abréviation du langage parlé afin de décrire une exécution exécutable par le µP
(ex : movlw 7 veut dire mettre la valeur litéralle « 7 » dans le registre W) Ce langage est propre à chaque µProcesseur.
Niveau 3 : Langage évolué : Afin de facilité la programmation on a mis au point des langages de haut niveau proche de celui de l’homme : FORTRAN, PASCAL, C, BASIC, COBOL dont la principale caractéristique est d’être indépendant du microprocesseur utilisé.
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