ARCHITECTURE DE L`ORDINATEUR 1 Qu`est

Lycée Brizeux – 2015/2016
A RCHITECTURE DE L’ ORDINATEUR
Mathématiques – PCSI B
C HAPITRE 1
A RCHITECTURE DE L’ ORDINATEUR
1 Qu’est-ce qu’un ordinateur ?
1.1 Définition et historique
Plusieurs machines ont précédés les ordinateurs :
Machines à calculer : une seule tâche, pas de programmation (ex : la pascaline de Blaise Pascal, 1645)
Machines programmables : une seule tâche, mais on peut la programmer par un programme externe,
par exemple des cartes perforées (orgue de Barbarie, métier à tisser de Jacquard)
Machine de Charles Babbage : inventée en 1837, mais non construite. Fonctionne avec des cartes perforées. Première notion de mémoire. En 1843, Ada Lovelace écrit le premier programme informatique, prévu pour cette machine.
D ÉFINITION DU MOT ORDINATEUR :
Machine automatique de traitement de l’information obéissant à des programmes formés par des suites d’opérations arithmétiques et logiques.
La seconde guerre mondiale sera la principale motivation pour développer l’automatisation du traitement de données (décodage de messages, calculs balistiques).
En 1946, le premier ordinateur électronique, l’ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) fait son apparition. Il a été commandé par l’armée américaine pour effectuer des calculs balistiques.
L’invention du transistor (1947), du circuit intégré (1958) puis du micro-processeur (1971) va permettre
de réaliser des machines plus fiables, moins coûteuses et plus petites. Les premiers ordinateurs personnels voient le jours à la fin des années 1970.
Codage binaire
Vers la fin des années 1930, Claude Shannon démontra qu’à l’aide de « contacteurs » (interrupteurs)
fermés et ouverts, il était possible d’effectuer des opérations logiques en associant le nombre 1 pour
« vrai » (le courant passe) et 0 pour « faux » (le courant ne passe pas) : c’est le codage binaire.
Une information élémentaire , valant 0 ou 1, est appelée booléen ou bit (binary digit). Le regroupement
de base est l’octet (en anglais : « byte »). Il contient 8 bits.
À propos des unités
Traditionnellement les préfixes « kilo », « mega » et « giga » représentent des puissances de 10 (ex : 1 kg =
1000 g) . En informatique, ils représentent des puissances de 2. Ainsi : un kilooctet représente 210 octets
=1024 octets et non pas 1000 octets. (210 est la puissance de 2 qui s’approche le plus de 1000 = 103) Un
mégaoctet représente 220 octets, soit 1048576 octets.
1.2 Traitement de l’information
Le traitement de l’information s’articule autour de quatre tâches :
— la saisie de l’information : il s’agit de recevoir une information venant "de l’extérieur", et la convertir sous une forme exploitable par le système ;
— la conservation de l’information ;
— le traitement de l’information, à proprement parler ;
— la sortie des résultats, sous une forme correspondant à ce qu’attend l’utilisateur
1
Lycée Brizeux – 2015/2016
A RCHITECTURE DE L’ ORDINATEUR
Mathématiques – PCSI B
2 Structure matérielle d’un ordinateur
Que voit-on quand on regarde un ordinateur ?
Des périphériques externes :
entrée : clavier, souris, webcam, micro, scanner,...
sortie : écran, imprimante, enceintes,...
L’unité centrale (tour) :
S’y trouvent :
• l’alimentation, qui fournit à chaque composant de l’ordinateur une tension permettant son bon
fonctionnement ;
• le disque dur qui constitue la "mémoire" de l’ordinateur, sur laquelle on enregistre les données ;
• la carte mère, c’est-à-dire le support de montage de circuits électroniques regroupant et interconnectant tous les composants de l’ordinateur. En contient, entre autre, le processeur, qui est, en
quelque sorte, le "cerveau" de l’ordinateur, puisqu’il exécute les instructions des programmes ;
• les lecteurs / graveurs, qui permettent de lire un CD-ROM, un DVD-ROM ou un Blu-Ray, voire
(dans le cas des graveurs) d’écrire des données sur un CD ou DVD ;
• la carte son, qui est parfois intégrée à la carte mère, et permet de brancher des haut-parleurs et
un micro ;
• la carte graphique, qui permet l’affichage sur l’écran.
• un ou plusieurs ventilateurs, pour évacuer l’air chaud et préserver les composants ;
• des ports externes, pour communiquer avec l’extérieur.
La carte mère
C’est l’élément central de l’architecture d’un ordinateur. Elle accueille :
1. Le processeur, dans un emplacement appelé socket ;
2. La mémoire vive, sous forme de barrettes enfichées sur des slots dédiés à la RAM ;
3. Connecteurs de disque dur SATA , lecteur de CD/DVD ROM,
4. La pile, permet notamment d’alimenter l’horloge de votre ordinateur, quand il est éteint, et conserver certains paramètres du BIOS.
5. Des slots PCI (Peripheral Component Interconnect) et/ou PCI express (et parfois de versions antérieures (ISA, ...), destinés à accueillir divers types de cartes dédiées à certaines fonctions (carte son,
carte graphique, carte réseau,...), quand non directement intégreées à la carte mère (ou disposant
de caratéristiques supplémentaires)
2
Lycée Brizeux – 2015/2016
A RCHITECTURE DE L’ ORDINATEUR
Mathématiques – PCSI B
6. un (ou plusieurs) Chipset(s) (c’est-à-dire – littéralement – jeu de puces) : il s’agit d’un jeu de composants électroniques permettant de gérer les flux de données numériques entre le processeur, la
mémoire et les périphériques.
7. Des ports externes (USB 2,0/3,0, VGA, HDMI, RJ45, lecteurs de carte SD, ...) permettant de relier
l’unité centrale le l’ordinateur au clavier, à l’écran, à la connexion internet, etc.
3 L’architecture Von Neumann
Reste à savoir comment la communication s’établit entre ces différents composants et de quelle
façon se structure le fonctionnement de l’ordinateur.
Pour pouvoir exécuter un programme donné, un ordinateur est bâti autour d’un modèle architectural théorique : l’architecture de Von Neumann 1 . Dans ce cadre, un ordinateur se décompose en quatre
parties :
1. Une mémoire principale : c’est-à-dire un organe qui permet l’enregistrement, la conservation et
la restitution de données, lesquelles peuvent servir à indiquer à l’ordinateur ce qu’il doit faire
(instructions) ou contenir des données à traiter.
2. Une unité centrale de traitement, qui est responsable de l’exécution du programme et qu’on peut
conceptuellement décomposer en :
• une unité de calcul arithmétique et logique (UAL) ou unité de traitement dont le rôle est d’effectuer les opérations de base (un peu comme le ferait une calculette) ;
• une unité de contrôle (UC), qui prend ses instruction dans la mémoire vive, et les transmet à
l’UAL (c’est l’équivalent des doigts qui actionneraient la calculette) ;
1. John Von Neumann (Budapest, 28/12/1903 – Washington, D.C., 08/02/1957) fut le rapporteur des travaux de construction
du premier ordinateur, en 1945. A quelques variations près, la quasi-totalité des ordinateurs modernes utilise l’architecture de
cette machine.
3
Lycée Brizeux – 2015/2016
A RCHITECTURE DE L’ ORDINATEUR
Mathématiques – PCSI B
3. des composants dits périphériques : il s’agit des organes d’entrée-sortie de l’ordinateur (moniteur,
enceintes, clavier, souris, imprimante...), c’est-à-dire les dispositifs permettant à l’ordinateur de
communiquer avec l’extérieur ;
4. un canal de communication entre la mémoire, le processeur et les périphériques, appelé le bus,
composé d’un ensemble de fils électriques.
3.1 La mémoire
La mémoire vive
La mémoire vive est ce qu’on appelle parfois la mémoire RAM, pour Random Access Memory, c’està-dire mémoire à accès aléatoire : les données qui y figurent peuvent être lues ou modifiées au gré de
l’utilisateur lors de l’exécution du programme.
Les mémoires vives que l’on trouve actuellement dans le commerce pour les ordinateurs de bureau
ont une capacité de l’ordre de quelques Giga-octets.
D’autres mémoires
Dans les faits, un ordinateur ne se limite pas à l’architecture de Von Neumann décrite précédemment. En effet, les mémoires vives qu’on sait aujourd’hui construire pour un coût raisonnable ont besoin d’une alimentation électrique permanente pour garder leurs données. On dit que cette mémoire
est volatile pour signifier qu’elle perd son contenu en cas de coupure de courant. Or on veut que les
données et programmes contenus dans un ordinateur puissent être conservées malgré l’extinction de la
machine.
Pour résoudre ce problème, on dispose des possibilités suivantes :
1. La mémoire morte, aussi appelée mémoire ROM (Read Only Memory, c’est-à-dire mémoire en lecture seule) : il s’agit d’une mémoire offrant un accès en lecture, mais pas d’accès en écriture. Sa
grosse différence avec la mémoire vive est que son contenu perdure malgré l’absence d’alimentation. Elle sera donc, par exemple, très utile pour stocker les programmes et informations de
démarrage (le BIOS, par exemple).
2. La mémoire de masse : il s’agit d’un périphérique, le plus souvent un disque dur, qui permet de
stocker une grande quantité de données (en lecture et en écriture), de manière non volatile. La
capacité des disques durs que l’on trouve actuellement dans les PC est de l’ordre du Tera-octet.
3. La mémoire-cache, qui sert à conserver un court instant des informations fréquemment consultées. Les technologies des mémoires-caches visent à accélérer la vitesse des opérations de consultation. Elles ont une très grande vitesse, et un coût élevé pour une faible capacité de stockage.
P OURQUOI PLUSIEURS TYPES DE MÉMOIRES ?
Les avantages et inconvénients d’une mémoire vive comparée à une mémoire morte sont simples
à cerner : la première contient des données facilement modifiables, tandis que la seconde n’est pas
volatile.
D’autre part, une mémoire vive contient généralement une quantité de données largement plus petite qu’une mémoire de masse, mais le temps de lecture des données d’une mémoire de masse est environ mille fois plus lent que pour celles de la mémoire vive.
En clair, la taille de la mémoire vive donne une indication sur la rapidité d’exécution d’une tâche
par l’ordinateur, tandis que la capacité du disque dur précise la quantité de données que l’on peut y
conserver.
3.2 L’unité centrale de traitement
L’unité centrale de traitement (CPU), c’est-à-dire le processeur, est le composant de l’ordinateur qui
exécute le programme, en donnant des ordres aux périphériques et à la mémoire.
Les parties essentielles d’un processeur sont :
4
Lycée Brizeux – 2015/2016
A RCHITECTURE DE L’ ORDINATEUR
Mathématiques – PCSI B
• L’UAL, qui traite des informations provenant de la mémoire. Comme celles-ci sont des suites de
bits, l’UAL est amenée à réaliser, sur ces données, tantôt des opérations arithmétiques élémentaires (additions, soustractions, etc.), tantôt des opérateurs logiques (ET, OU, NI, etc.), selon le
sens qui est donné à chaque séquence de bits traitée. En clair, c’est l’UAL qui effectue les calculs
de l’ordinateur.
• L’UC, qui prend ses instructions dans la mémoire et les interprète pour les transmettre à l’UAL.
• Une mémoire de petite taille, répartie en registres, dont les données sont plus rapides d’accès que
celles de la mémoire vive. Le nombre de registres dépend du type de processeur et varie entre une
dizaine et une centaine ; chaque registre stocke des informations sur 8, 16, 32 ou 64 bits.
• Une horloge interne, qui cadence le rythme de travail du processeur, en envoyant des impulsions
dont la fréquence (exprimée en Hertz) indique le nombre d’opérations effectuées par le processeur en une seconde : par exemple, un processeur « cadencé à 2 GHz » effectue environ 2 milliards
d’opérations par seconde.
Remarque.
1. Les performances d’un processeur sont liées à la taille de ses registres, ainsi qu’à la
rapidité d’exécution des instructions.
2. La rapidité d’exécution des processeurs actuels peut également être optimisée par quelques éléments plus complexes, tels que :
• plusieurs UAL, ce qui permet de traiter plusieurs instructions en même temps ;
• une mémoire cache, servant de tampon entre la mémoire vive et le processeur, et dont le très
faible temps d’accès (plus rapide que la RAM) permet d’accélérer les traitements d’informations.
4 Quand on allume l’ordinateur...
4.1 L’amorce
La procédure de démarrage d’un ordinateur, souvent appelée boot (pour amorce), comporte notamment le chargement du programme initial : le BIOS (Basic Input/Output System, c’est-à-dire Système de
gestion élémentaire des entrées/sorties).
1. Dans un premier temps, il vérifie que la tension fournie par le transformateur est adéquate et
stable, dans le but d’éviter tout bris de la carte-mère ou du processeur.
2. Puis il effectue un test (appelé POST, pour "Power-On Self Test") afin de vérifier le bon fonctionnement du matériel présent dans l’ordinateur. Ce test comporte un certain nombre d’opérations,
parmi lesquelles :
• un test du processeur,
• l’initialisation de l’horloge interne,
• une vérification de la mémoire vive et de la mémoire cache,
• une vérification de toutes les configurations (clavier, disquettes, disques durs ...).
3. Il envoie ensuite vers l’écran des informations décrivant l’état du système, des informations sommaires sur les périphériques amorcés, ainsi que des instructions permettant de communiquer
avec le BIOS lui-même (par exemple « press DEL to enter setup »
4. Enfin, il lance le système d’exploitation en usage sur l’ordinateur. Ce dernier prend le relais des
opérations.
5
Lycée Brizeux – 2015/2016
A RCHITECTURE DE L’ ORDINATEUR
Mathématiques – PCSI B
4.2 Le système d’exploitation
Le système d’exploitation est là pour organiser ces tâches : c’est
un ensemble de programmes qui dirige l’utilisation des capacités de l’ordinateur par les différents programmes sollicités
par l’utilisateur. Il permet à plusieurs usagers et plusieurs programmes de se partager les ressources de l’ordinateur.
Plus précisément, le système d’exploitation gère, entre autres :
• L’utilisation des périphériques
• L’accès aux fichiers
• L’accès aux ressources
• L’exécution simultanée de différents programmes
• La gestion de l’organisation du disque dur et de ses fichiers
5 Programmation
La programmation consiste à faire exécuter par l’ordinateur les instructions figurant dans un algorithme, destiné à résoudre un problème donné.
Pour communiquer ces instructions à la machine, on a recours à un langage de programmation permettant de transmettre les instructions à l’ordinateur de façon plus intelligible que par des suites de 0
et de 1.
Le langage (souvent en anglais) est écrit avec une syntaxe particulière qu’il est nécessaire de respecter.
Il est ensuite traduit en langage-machine pour que l’ordinateur puisse l’interpréter.
Le programmeur écrit des lignes d’instructions dans le langage qu’il a choisi (on parle alors de code) :
les étapes suivantes sont automatisées pour permettre à l’ordinateur de les décoder. Il existe un grand
nombre de langages de programmation. Celui avec lequel nous serons amenés à travailler s’appelle Python.
Python est un langage de programmation interprété, c’est-à-dire que les instructions que l’utilisateur
lui envoie sont « transcrites » en langage machine au fur et à mesure de leur lecture.
Il est placé sous une licence libre, multiplateforme et portable.
6