Notes de cours

QUELQUES ÉLÉMENTS SUR L’ARCHITECTURE D’UN ORDINATEUR
ORD1 1ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS D’UN ORDINATEUR
1.1 QU’ENTEND-ON PAR ORDINATEUR ?
Les métiers à tisser à cartes perforées du début du XIXesiècle ou les réalisations de machines à calculer
telles la Pascaline de Blaise Pascal en 1642, peuvent répondre à la description d’un ordinateur telle
que faite plus loin, mais sont cependant trop spécialisées pour rentrer dans un cadre plus universel.
Dans les années trente, mathématiciens et informaticiens tentent de répondre à la question « qu’est-
ce qu’un calcul » et posent les premières pierres de l’informatique moderne.
L’un d’entre eux, le britannique Alan Turing ( 1912-1954) imagine en particulier une machine univer-
selle, appelée de nos jours machine de Turing, qu’il faut voir comme un automate abstrait répon-
dant aux caractéristiques suivantes :
• possède une bande infinie, décomposée en cellules stockant des caractères d’un alphabet fini ;
• dispose d’une tête de lecture/écriture ;
• possède un registre d’état qui mémorise l’état courant de la machine, le nombre d’états possibles
étant toujours fini ;
• une table de transition ou d’actions qui indique à la machine qu’écrire et ou l’écrire.
L’idée novatrice de cette machine est qu’un programme est juste une donnée comme une autre.
Les travaux de l’américo-hongrois John Von Neumann (1903-1957) ont conduit à l’élaboration d’un
modèle théorique d’architecture d’un ordinateur, appelée architecture de Von Neumann, qui est le
modèle encore utilisé de nos jours dans la réalisation matérielle de nos ordinateurs.
ÀRETENIR NO1 - BREF RETOUR HISTORIQUE
MISE EN OEUVRE
EXERCICE NO1Pour les plus curieux : prendre quelques minutes dans le week-end pour aller consul-
ter les sites suivants :
• Exemples de réalisation d’une machine de Turing : http://zanotti.univ-tln.fr/turing/
• Description théorique du fonctionnement d’une machine de Turing :
http://www.madchat.fr/coding/algo/algo_epfl.pdf
• Réalisation d’une machine de Turing en Lego : http://rubens.ens-lyon.fr/fr/
La recherche et la lecture de biographies d’Alan Turing et John Von Neumann peut être un moment
récréatif culturel enrichissant.
• Le mot informatique est la contraction des deux termes information et automatique, ce qui fait de
l’informatique la science du traitement automatique de l’information.
• Un ordinateur est un appareil permettant le traitement automatique de données au préalable-
ment codées.
On attend en particulier d’un ordinateur qu’il puisse :
,→exécuter n’importe quel algorithme ;
,→conserver,traiter et restituer des données.
En ce sens les tablettes numériques ou smartphones actuels sont des ordinateurs.
ÀRETENIR NO2 - INFORMATIQUE ET ORDINATEUR
1.2 ARCHITECTURE DE VON NEUMANN
Les quatre qualificatifs acquérir,stocker,transformer et restituer l’information résument ce que
l’on attend d’un ordinateur.
• l’acquisition de l’information s’opère à l’aide de périphériques d’entrées : clavier, souris, micro,
webcam, scanner, écran tactile, etc.
• le stockage de l’information s’effectue dans la mémoire de l’ordinateur où l’on distingue la mé-
moire de masse (disque dur, clé USB, etc.) destinée à un stockage persistant en l’absence d’ali-
mentation, et la mémoire vive (RAM pour Random Access Memory) utilisée par le processeur pour
traiter les données et qui nécessite d’être alimentée électriquement.
• la transformation de l’information est dévouée au processeur ou CPU pour Central Processing
Unit, lui même composé de deux éléments : l’unité de commande ou UC responsable de la lec-
ture en mémoire et du décodage des instructions, et l’unité arithmétique et logique ou UAL qui
exécute les instructions qui manipulent les données.
• la restitution de l’information s’effectue par les périphériques de sorties : écran, imprimante, en-
ceintes, etc.
Ces éléments sont organisés suivant l’architecture de Von Neumann schématisée ainsi :
CPU
Unité de Contrôle
Registres R0R1R2... Rn
UAL
Mémoire à accès direct
Direct Memory Access - RAM/ROM
Périphériques
Bus
où mémoire, périphériques et processeur sont reliés par un canal de communication appelé bus .
ÀRETENIR NO3 - ARCHITECTURE DE VON NEUMANN
REMARQUE 1LIMITATIONS DU MODÈLE DE VON NEUMANN
L’architecture de Von Neumann a pour avantages une certaine simplicité conceptuelle et une
grande souplesse. Aucune structure n’est a priori imposée sur le contenu de la mémoire, on
peut stocker toute information codable numériquement. En particulier, on peut indifférem-
ment stocker en mémoire des programmes et des données.
Cependant elle présente les inconvénients suivants :
• une éxécution séquentielle, autrement dit une machine de Von Neumann ne peut faire
qu’une seule chose à la fois ;
• effet de goulet d’étranglement puisque toutes les données et instructions passent par le
bus mémoire, actuellement moins rapide que les processeurs qui le sollicitent ;
• une faible robustesse puisque données et programmes sont mélangées, toute erreur d’écri-
ture risque d’entraîner un comportement ératique de l’ordinateur.
INFORMATIQUE - CPGE MPSI - 2015/16 1 ORD1 - QUELQUES ÉLÉMENTS SUR L’ARCHITECTURE D’UN ORDINATEUR

1.3 LA«MÉMOIRE »DE L’ORDINATEUR
• On appelle mémoire tout élément qui permet d’enregistrer, de stocker et de restituer des données.
• Les données manipulées par les ordinateurs sont toujours codées sous forme binaire où un
nombre et un mot peuvent avoir la même représentation binaire. Aussi, la signification de cette
dernière dépend de l’interprétation faite par celui qui la manipule.
• Les mémoires utilisent la distinction entre deux états physiques représentant 0 et 1 : absence/-
présence de tension, opacité/transparence d’un matériau, etc.
ÀRETENIR NO4 - MÉMOIRE
Vitesse
Capacité
CPU Registres
RAM
Mémoire cache
Mémoire centrale
Disque Dur
Mémoire de masse
Registres : emplacements mémoires internes
réduite à quelques mots au CPU dans les-
quels ce dernier exécute les instructions ;
Mémoire cache : mémoire rapide permettant
de réduire les délais d’attente des informa-
tions stockées dans la mémoire centrale ;
Mémoire centrale : contient le code et les don-
nées des programmes exécutés par le pro-
cesseur ;
Mémoire de masse : moyen de stockage pé-
renne.
ÀRETENIR NO5 - LES MÉMOIRES AU SEIN DE L’ORDINATEUR
Les mémoires vives d’un ordinateur consomment de l’énergie et sont effacées lors de la coupure de
l’alimentation. On contourne donc ce problème à l’aide de mémoire dites non volatiles :
Mémoire morte : mémoire offrant un accès en lecture à vitesse raisonnable mais pas d’accès en écri-
ture. On parle de ROM pour Read-only Memory.
Ces mémoires sont en général initialisées lors de la fabrication de la machine, pouvant stocker
des programmes mais pas des données utilisateurs. Actuellement elles sont utilisées pour sto-
cker un programme appelé le firmware (BIOS ou UEFI).
Mémoire de masse : il s’agit en fait de mémoires liées à un périphérique de stockage tel les disques
durs. Toutefois le temps de lecture d’une mémoire de masse est quasiment mille fois plus grand
que celui d’une mémoire vive.
ÀRETENIR NO6 - MÉMOIRES NON VOL ATILES
REMARQUE 2ILLUSTRATION DU RÔLE D’UNE MÉMOIRE DE MASSE ET D’UNE MÉMOIRE VIVE
• Au démarrage de l’ordinateur, des programmes sont transférés de la mémoire de masse vers
la mémoire vive ;
• lorsque l’on tape un texte, celui-ci est d’abord sauvegardé dans la RAM, puis lorsqu’on l’en-
registre, les données sont transférées vers une mémoire de masse.
Seul le processeur peut modifier l’état de la mémoire. Il peut :
•écrire à un emplacement : le processeur donne une valeur et une adresse, puis la mémoire range
la valeur à l’emplacement indiqué par l’adresse ;
•lire un emplacement : le processeur demande à la mémoire la valeur contenue à l’emplacement
dont il indique l’adresse.
ÀRETENIR NO7 - LECTURE ET ÉCRITURE
1.4 AU COEUR DU PROCESSEUR
• Le processeur dispose d’une toute petite mémoire que l’on appelle registres où sont effectuées les
instructions demandées.
• L’unité arithmétique et logique est l’organe matériel du processeur qui permet de calculer la
somme, la différence, le produit ou le rapport de nombres codés dans deux registres et stocker le
résultat dans un troisième, ou encore effectuer des opérations logiques (disjonctions, conjonction,
négation) sur des valeurs de vérités.
ÀRETENIR NO8 - REGISTRES ET UNITÉ ARITHMÉTIQUE ET LOGIQUE
Le processeur peut accéder à la mémoire via le bus, et c’est le rôle de l’unité de contrôle d’effectuer
cette action. Elle dispose d’un registre particulier, appelé PC pour Program Counter et exécute la
séquence d’actions suivante :
Lire instruction : aller lire le mot stocké à
l’adresse mémoire donnée par le registre PC
et le stocker dans un registre spécial appelé
IR pour Instruction register ;
Incrémenter PC : incrémenter le contenu du re-
gistre PC, c’est à dire ajouter 1 à la valeur et
la stocker de nouveau dans le registre PC ;
Décoder instruction : décoder l’instruction
contenue dans IR, c’est à dire interpréter
la suite de bits contenue dans IR en une
instruction que le processeur sait exécuter :
opération arithmétique et logique, accès à
la mémoire vive ou branchement ;
Exécuter instruction : éxécuter l’instruction
décodée : opération arithmétique et lo-
gique, accès la mémoire vive ou branche-
ment.
Lire instruction Exécuter instruction
Décoder instruction
Incrémenter PC
Certaines instructions appelées instructions de
branchement peuvent modifier le registre PC :
elles stipulent que si une condition est réalisée,
alors le registre PC pour prendre une certaine va-
leur.
ÀRETENIR NO9 - UNITÉ DE CONTRÔLE
INFORMATIQUE - CPGE MPSI - 2015/16 2 ORD1 - QUELQUES ÉLÉMENTS SUR L’ARCHITECTURE D’UN ORDINATEUR

QUELQUES ÉLÉMENTS SUR L’ARCHITECTURE D’UN ORDINATEUR
ORD1 2PRINCIPAUX COMPOSANTS ET ÉLÉMENTS D’UN ORDINATEUR
On désigne par unité centrale l’ensemble constitué du processeur et de la mémoire centrale, mais
plus communément on appelle ainsi la structure accueillant les éléments internes de l’ordinateur.
Les flèches indiquent le sens des échanges d’information
Périphériques d’entrée
Périphériques de stockage
Périphériques de sortie
Unité centrale
Processeur
Unité de commande
Unité de calcul
Mémoire
Programmes
Données
ÀRETENIR NO10 - SCHÉMA FONCTIONNEL
La carte mère est la carte électronique principale de l’ordinateur sur laquelle tous les composants
« internes » sont connectés. On y trouve notamment :
• le processeur, souvent placé sous un ventila-
teur pour refroidir en permanence ce dernier ;
• des connecteurs pour les barrettes de mémoire
RAM ;
• des connecteurs de cartes d’extensions PCI ;
• un connecteur pour une carte réseau ;
• une carte graphique ;
• la mémoire ROM ;
• une pile pour alimenter en continu l’horloge et
le BIOS ;
• des connecteurs pour le(s) disque(s) dur(s) ou
le(s) lecteur(s) de CD/DVD ;
• des ports de connexions ;
• des ports graphiques,
• un bloc d’alimentation électrique et un venti-
lateur ;
ÀRETENIR NO11 - CARTE MÈRE
MISE EN OEUVRE
EXERCICE NO2Identifier sur la carte-mère en fin de document, les éléments suivants (lettres A à K) :
Bus AGP : permet de connecter une carte graphique ;
Socket : connecter le microprocesseur ;
Chipset-pont nord : permet de gérer les composants
rapides (RAM, processeur, etc.) ;
Connecteur Floppy : permet de connecter le lecteur de
disquette ;
Pile CMOS : fournit l’alimentation électrique à la mé-
moire CMOS ;
EPROM-BIOS : contient le programme BIOS ;
Port d’alimentation : fournit l’alimentation à la carte
mère ;
Chipset-pont sud : permet de gérér les composants
moins rapides (USB, disque dur, etc.) ;
Bus PCI : permet de connecter une carte d’extension
(carte réseau, modem, etc.) ;
Connecteurs de RAM : permet de connecter les bar-
rettes mémoire ;
Contrôleur IDE : permet de connecter des périphé-
riques de stockage de masse (disque dur, CD-
ROM, etc.) ;
Les périphériques sont des composants électroniques qui permettent à l’ordinateur de communi-
quer avec l’extérieur. Ils sont classés en trois catégories : les périphériques d’entrée, de sortie et de
stockage.
Certains sont parfois qualifié de périphériques d’entrée/sortie puisque remplissant les deux fonc-
tions.
ÀRETENIR NO12 - PÉRIPHÉRIQUES
MISE EN OEUVRE
EXERCICE NO3Classer les périphériques suivants selon les catégories décrites précédemment :
caméra / lecteur-graveur / écran / appareil photo / imprimante / clé USB / microphone
haut-parleur / webcam / carte SD / clavier / lecteur CD-DVD / imprimante multifonction / souris
disque dur / scanner / écran tactile / CD-DVD
Les ports matériels sont des circuits d’entrée ou de sortie de données servant à connecter les péri-
phériques à l’ordinateur.
Chaque port matériel est conçu pour brancher un certain type de périphériques, soit directement,
soit au moyen d’un câble. Il est soumis à des normes aussi bien sur ses caractéristiques physiques
(forme, considérations électriques ou optiques) que logiques (à quoi sert chaque fil, patte ou connec-
teur, que signifie tel ou tel signal en entrée, en sortie).
Obsolètes ou en cours de
disparition
Port PS/2
Clavier, souris
Port série
Anciens
périphériques
Port parallèle
Anciennes imprimantes
Port USB
pour Universal Serial Bus
Port RJ45 Ethernet ou LAN
pour Local Area Network
Sortie vidéo/audio
Sortie VGA
pour Video
Graphics Array
Sortie HDMI
pour High
Definition
Multimedia
Interface
Haut-parleur,
micro et
casque
ÀRETENIR NO13 - PRINCIPAUX PORTS MATÉRIELS
INFORMATIQUE - CPGE MPSI - 2015/16 3 ORD1 - QUELQUES ÉLÉMENTS SUR L’ARCHITECTURE D’UN ORDINATEUR

Chipset
North Bridge
South Bridge
Processeur
Cache
Bus Processeur
Cartes
d’extension
Bus PCI-E
Mémoire
Bus Mémoire
Disque Dur
Lecteur DVD Bus SATA
EPROM
BIOS
USB RJ45 Audio PS/2 FW
ÀRETENIR NO14 - SCHÉMATISATION DES COMPOSANTS ET ÉCHANGES SUR UNE CARTE MÈRE
MISE EN OEUVRE
EXERCICE NO4Repérer sur le schéma de la carte mère en fin de document, ces différents ports de
connexion.
INFORMATIQUE - CPGE MPSI - 2015/16 4 ORD1 - QUELQUES ÉLÉMENTS SUR L’ARCHITECTURE D’UN ORDINATEUR