Fonctionnement d`un ordinateur depuis zéro - xol.io

Fonctionnement d'un
ordinateur depuis
zéro
Par Lucas Pesenti (Lucas-84)
et Guy Grave (Mewtow)
www.siteduzero.com
Licence Creative Commons 6 2.0
Dernière mise à jour le 6/01/2013

Sommaire
2Sommaire ...........................................................................................................................................
7Lire aussi ............................................................................................................................................
9 Fonctionnement d'un ordinateur depuis zéro .....................................................................................
9Partie 1 : Tout ça rien qu'avec des 0 et des 1 ! ...................................................................................
10Un ordinateur, c'est très bête : ça ne sait pas compter jusqu'à deux ! ...........................................................................
10Nombres entiers ........................................................................................................................................................................................................
10Différentes bases ......................................................................................................................................................................................................
11Le binaire, la base 2 ..................................................................................................................................................................................................
12Représentation en signe-valeur absolue ...................................................................................................................................................................
13Codage en complément à 1 ......................................................................................................................................................................................
14Complément à deux ..................................................................................................................................................................................................
16Nombres à virgule .....................................................................................................................................................................................................
16Écriture scientifique ...................................................................................................................................................................................................
17Formats de flottants ..................................................................................................................................................................................................
18Exceptions et arrondis ...............................................................................................................................................................................................
19Codage du texte ........................................................................................................................................................................................................
19Standard ASCII ..........................................................................................................................................................................................................
20Unicode .....................................................................................................................................................................................................................
20Nos bits prennent la porte ! .............................................................................................................................................
21Codage NRZ .............................................................................................................................................................................................................
21Codage NRZ .............................................................................................................................................................................................................
21Tensions de référence ...............................................................................................................................................................................................
22Transistors .................................................................................................................................................................................................................
22Transistors CMOS .....................................................................................................................................................................................................
23Loi de Moore .............................................................................................................................................................................................................
24Portes logiques .........................................................................................................................................................................................................
25La porte NON ............................................................................................................................................................................................................
27La porte ET ................................................................................................................................................................................................................
28Porte NAND ...............................................................................................................................................................................................................
30La porte OU ...............................................................................................................................................................................................................
30Porte NOR .................................................................................................................................................................................................................
32Porte XOR .................................................................................................................................................................................................................
33Porte NXOR ..............................................................................................................................................................................................................
34Créons nos circuits ! ........................................................................................................................................................
34Circuits combinatoires ...............................................................................................................................................................................................
34Tables de vérité .........................................................................................................................................................................................................
35Équations logiques ....................................................................................................................................................................................................
36Méthode des Minterms ..............................................................................................................................................................................................
38Simplifications du circuit ............................................................................................................................................................................................
39Mais ...........................................................................................................................................................................................................................
39Circuits séquentiels ...................................................................................................................................................................................................
39Comment donner de la mémoire à nos circuits ? ......................................................................................................................................................
41Bascules ....................................................................................................................................................................................................................
46Mémoires ...................................................................................................................................................................................................................
46Tic, Tac, Tic, Tac : Le signal d'horloge .......................................................................................................................................................................
46Temps de propagation ...............................................................................................................................................................................................
47Circuits synchrones ...................................................................................................................................................................................................
49Et dans nos PC ? ......................................................................................................................................................................................................
50Partie 2 : Architecture de base ..........................................................................................................
50C'est quoi un ordinateur ? ...............................................................................................................................................
50Numérique versus analogique ..................................................................................................................................................................................
50Analogique versus numérique ...................................................................................................................................................................................
50L'immunité au bruit ....................................................................................................................................................................................................
52Architecture de base .................................................................................................................................................................................................
52I/O et traitement .........................................................................................................................................................................................................
53Automates .................................................................................................................................................................................................................
54Programme ...............................................................................................................................................................................................................
54Ordinateurs ................................................................................................................................................................................................................
54Organisation ..............................................................................................................................................................................................................
55Mémoire ....................................................................................................................................................................................................................
57Bus de communication ..............................................................................................................................................................................................
58Processeur ................................................................................................................................................................................................................
63La gestion de la mémoire ................................................................................................................................................
63Deux mémoires pour le prix d'une .............................................................................................................................................................................
63Séparation matérielle des mémoires .........................................................................................................................................................................
65Architecture modifiée ................................................................................................................................................................................................
66L'organisation de la mémoire et la pile ......................................................................................................................................................................
66Pile, Tas et Mémoire Statique ....................................................................................................................................................................................
67La pile ........................................................................................................................................................................................................................
68Last Input First Output ...............................................................................................................................................................................................
69Machines à pile et successeurs ................................................................................................................................................................................
69Machines à pile .........................................................................................................................................................................................................
72Machines à accès aléatoire .......................................................................................................................................................................................
73Les hybrides ..............................................................................................................................................................................................................
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75Partie 3 : Processeur et Assembleur .................................................................................................
76Langage machine et assembleur ....................................................................................................................................
76Instructions ................................................................................................................................................................................................................
76C'est quoi une instruction ? .......................................................................................................................................................................................
77Type des données et instructions ..............................................................................................................................................................................
78Longueur des données à traiter ................................................................................................................................................................................
78Jeux d'instruction .......................................................................................................................................................................................................
78RISC vs CISC ............................................................................................................................................................................................................
80Jeux d'instructions spécialisés ..................................................................................................................................................................................
81Et pour nos ordinateurs ? ..........................................................................................................................................................................................
81Registres architecturaux ............................................................................................................................................................................................
81A quoi servent ces registres ? ...................................................................................................................................................................................
83Registres architecturaux ............................................................................................................................................................................................
858, 16, 32, 64 bits : une histoire de taille des registres ...............................................................................................................................................
85Représentation en binaire .........................................................................................................................................................................................
86Opcode ......................................................................................................................................................................................................................
86Opérandes .................................................................................................................................................................................................................
86Modes d'adressage ...................................................................................................................................................................................................
96Encodage du mode d'adressage ...............................................................................................................................................................................
98Jeux d'instructions et modes d'adressages ...............................................................................................................................................................
98Longueur d'une instruction ........................................................................................................................................................................................
99Classes d'architectures .............................................................................................................................................................................................
99A accès mémoire strict ..............................................................................................................................................................................................
99A pile ..........................................................................................................................................................................................................................
99A accumulateur unique ..............................................................................................................................................................................................
100Architectures registre-mémoire ...............................................................................................................................................................................
101Load-store ...............................................................................................................................................................................................................
101Un peu de programmation ! ..........................................................................................................................................
102C'est un ordre, éxecution ! ......................................................................................................................................................................................
102Program Counter .....................................................................................................................................................................................................
103Les exceptions ........................................................................................................................................................................................................
103Et que ca saute ! .....................................................................................................................................................................................................
103Instructions de test ..................................................................................................................................................................................................
104Branchements .........................................................................................................................................................................................................
106Structures de contrôle, tests et boucles ..................................................................................................................................................................
106Le Si...Alors .............................................................................................................................................................................................................
107Si...Alors...Sinon ......................................................................................................................................................................................................
108Boucles ...................................................................................................................................................................................................................
110Sous-programmes : c'est fait en quoi une fonction ? ..............................................................................................................................................
110A quoi ça sert ? ........................................................................................................................................................................................................
113Retour vers la future (instruction) ! ..........................................................................................................................................................................
113Paramètres et arguments ........................................................................................................................................................................................
114Une histoire de registres ..........................................................................................................................................................................................
115Valeur de retour .......................................................................................................................................................................................................
116Variables automatiques ...........................................................................................................................................................................................
116Plusieurs piles .........................................................................................................................................................................................................
117Il y a quoi dans un processeur ? ...................................................................................................................................
118Execution d'une instruction ......................................................................................................................................................................................
118Instruction Cycle ......................................................................................................................................................................................................
118Micro-instructions ....................................................................................................................................................................................................
120L'intérieur d'un processeur ......................................................................................................................................................................................
121Les unités de calcul .................................................................................................................................................................................................
122Vu de l’extérieur ......................................................................................................................................................................................................
123A l'intérieur d'une unité de calcul .............................................................................................................................................................................
126Unités annexes ........................................................................................................................................................................................................
127Registres et interface mémoire ...............................................................................................................................................................................
127Registres simples ....................................................................................................................................................................................................
128Registres non-référencables ...................................................................................................................................................................................
128Register File ............................................................................................................................................................................................................
131Register Files séparés ............................................................................................................................................................................................
131Fichier de registre Unifié .........................................................................................................................................................................................
134Communication avec la mémoire ............................................................................................................................................................................
136Le chemin de données ............................................................................................................................................................................................
136Une histoire de connexion .......................................................................................................................................................................................
137Chemin de donnée à un seul bus ...........................................................................................................................................................................
138Et avec plusieurs bus ? ...........................................................................................................................................................................................
142Conclusion ..............................................................................................................................................................................................................
142Le séquenceur .........................................................................................................................................................................................................
143Séquenceurs câblés ................................................................................................................................................................................................
145Séquenceur micro-codé ..........................................................................................................................................................................................
148Séquenceurs hybrides .............................................................................................................................................................................................
148Les transport triggered architectures .......................................................................................................................................................................
149L'étape de fetch .......................................................................................................................................................................................................
149Registre pointeur instruction ...................................................................................................................................................................................
149Compteur ordinal .....................................................................................................................................................................................................
151Le calcul de l'adresse suivante ...............................................................................................................................................................................
152Les branchements ...................................................................................................................................................................................................
154L’exception qui confirme la règle .............................................................................................................................................................................
154Les circuits d'une ALU entiére .......................................................................................................................................
155Décalages et rotations ............................................................................................................................................................................................
155Décalages et rotations ............................................................................................................................................................................................
157Multiplexeurs ...........................................................................................................................................................................................................
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158Décaleur logique .....................................................................................................................................................................................................
160Décaleur arithmétique .............................................................................................................................................................................................
161Rotateur ...................................................................................................................................................................................................................
162Barell shifter ............................................................................................................................................................................................................
162Addition ...................................................................................................................................................................................................................
162Additionneur à propagation de retenue ...................................................................................................................................................................
164L'additionneur à sélection de retenue .....................................................................................................................................................................
165Additionneurs à anticipation de retenue ..................................................................................................................................................................
167Les Overflows ..........................................................................................................................................................................................................
167Entiers strictement positifs, non signés ...................................................................................................................................................................
168Complément à deux et complément à un ...............................................................................................................................................................
170Soustraction ............................................................................................................................................................................................................
170Complément à deux et complément à un ...............................................................................................................................................................
172Signe-magnitude .....................................................................................................................................................................................................
173Comparaison ...........................................................................................................................................................................................................
173Multiplication ............................................................................................................................................................................................................
174Entiers non-signés ..................................................................................................................................................................................................
180Entiers signés ..........................................................................................................................................................................................................
183Array Multipliers .......................................................................................................................................................................................................
187Tree Multipliers ........................................................................................................................................................................................................
187Division ....................................................................................................................................................................................................................
187Division à restauration .............................................................................................................................................................................................
190Division sans restauration .......................................................................................................................................................................................
190La division SRT .......................................................................................................................................................................................................
192Partie 4 : Mémoires .........................................................................................................................
192Mémoires .......................................................................................................................................................................
192Des mémoires en veux-tu, en voilà ! .......................................................................................................................................................................
192Capacité mémoire ...................................................................................................................................................................................................
193Mémoires volatiles et non-volatiles .........................................................................................................................................................................
194RWM ou ROM .........................................................................................................................................................................................................
195Le temps d'accès ....................................................................................................................................................................................................
195Mémoires RAM ........................................................................................................................................................................................................
196Donnée, où es-tu ? ..................................................................................................................................................................................................
196Mémoires Séquentielles ..........................................................................................................................................................................................
196Mémoires à accès aléatoire ....................................................................................................................................................................................
197Mémoires FIFO .......................................................................................................................................................................................................
197Mémoires LIFO ........................................................................................................................................................................................................
198Content Adressables Memories ..............................................................................................................................................................................
199Une histoire de bus .................................................................................................................................................................................................
199Bus de commande ..................................................................................................................................................................................................
200Bus d'adresse ..........................................................................................................................................................................................................
201Connexion du bus sur la mémoire ..........................................................................................................................................................................
203Toutes les mémoires ne se valent pas ! ..................................................................................................................................................................
203Une histoire de vitesse ............................................................................................................................................................................................
205Registres .................................................................................................................................................................................................................
207Cache ......................................................................................................................................................................................................................
207Local Stores ............................................................................................................................................................................................................
208Mémoires principales ..............................................................................................................................................................................................
208Mémoires de masse ................................................................................................................................................................................................
209Mémoriser un bit ............................................................................................................................................................
209Mémoire SRAM .......................................................................................................................................................................................................
209Avec des portes logiques ........................................................................................................................................................................................
213Avec des transistors ................................................................................................................................................................................................
215Mémoire DRAM .......................................................................................................................................................................................................
2153T-DRAM .................................................................................................................................................................................................................
2181T-DRAM .................................................................................................................................................................................................................
220Correction d'erreurs .................................................................................................................................................................................................
220Correction et détection d'erreurs .............................................................................................................................................................................
220Bit de parité ou d'imparité ........................................................................................................................................................................................
221Mémoires ECC ........................................................................................................................................................................................................
221Contrôleur et plan mémoire ...........................................................................................................................................
222Mémoires à adressage linéaire ...............................................................................................................................................................................
222Plan mémoire linéaire .............................................................................................................................................................................................
223Connectons le tout au bus ......................................................................................................................................................................................
224Décodeurs ...............................................................................................................................................................................................................
227Circuit complet ........................................................................................................................................................................................................
228Mémoires à adressage par coicidence ...................................................................................................................................................................
228Principe ...................................................................................................................................................................................................................
229Adressage par coïncidence .....................................................................................................................................................................................
230Adresses hautes et basses .....................................................................................................................................................................................
232Mémoire à Row Buffer .............................................................................................................................................................................................
232Principe ...................................................................................................................................................................................................................
233Plan mémoire ..........................................................................................................................................................................................................
234Row Buffer ...............................................................................................................................................................................................................
235Sélection de colonnes .............................................................................................................................................................................................
236Avantages et inconvénients ....................................................................................................................................................................................
236Interfacage avec le bus ...........................................................................................................................................................................................
236Circuits 3-états ........................................................................................................................................................................................................
238Mémoires à ports de lecture et écriture séparés .....................................................................................................................................................
239Assemblages de mémoires .....................................................................................................................................................................................
239Arrangement horizontal ...........................................................................................................................................................................................
241Arrangement vertical ...............................................................................................................................................................................................
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243Mémoires DDR, SDRAM et leurs cousines ..................................................................................................................
244Les mémoires RAM asynchrones ...........................................................................................................................................................................
244Format des mémoires FPM et EDO ........................................................................................................................................................................
245RAS et CAS .............................................................................................................................................................................................................
248Rafraichissement mémoire .....................................................................................................................................................................................
249Mémoires FPM et EDO ...........................................................................................................................................................................................
250EDO-RAM ...............................................................................................................................................................................................................
252Les mémoires SDRAM ............................................................................................................................................................................................
252Pipelining des requêtes mémoires ..........................................................................................................................................................................
253Timings mémoires ...................................................................................................................................................................................................
254Mode Burst ..............................................................................................................................................................................................................
255Les mémoires DDR .................................................................................................................................................................................................
255Principe ...................................................................................................................................................................................................................
257DDR1 .......................................................................................................................................................................................................................
258DDR2 .......................................................................................................................................................................................................................
258DDR3 .......................................................................................................................................................................................................................
259GDDR ......................................................................................................................................................................................................................
259Format DIMM et SO-DIMM ......................................................................................................................................................................................
262Mémoires non-volatiles .................................................................................................................................................
262Le disque dur ...........................................................................................................................................................................................................
262C'est fait en quoi ? ...................................................................................................................................................................................................
264Adressage d'un disque dur ......................................................................................................................................................................................
265Requêtes d'accès au disque dur .............................................................................................................................................................................
266Mémoires FLASH ....................................................................................................................................................................................................
266Cellule mémoire de FLASH .....................................................................................................................................................................................
267Mémoires FLASH MLC ...........................................................................................................................................................................................
268Les mémoires FLASH ne sont pas des RAM ! ........................................................................................................................................................
269FLASH NAND et NOR .............................................................................................................................................................................................
269Les SSD ..................................................................................................................................................................................................................
269Partie 5 : Périphériques, bus, et entrées-sorties .............................................................................
270Bus, cartes mères, chipsets et Front Side Bus .............................................................................................................
270Un bus, c'est rien qu'un tas de fils... ........................................................................................................................................................................
271Bus série et parallèles .............................................................................................................................................................................................
273Simplex, Half duplex ou Full duplex ........................................................................................................................................................................
273Bus synchrones et asynchrones .............................................................................................................................................................................
275Va falloir partager ! ..................................................................................................................................................................................................
276Conflit d'accès .........................................................................................................................................................................................................
276Arbitrage par multiplexage temporel .......................................................................................................................................................................
276Arbitrage par requête ..............................................................................................................................................................................................
276Chipset, back-plane bus, et autres ..........................................................................................................................................................................
277Première génération ................................................................................................................................................................................................
277Seconde génération ................................................................................................................................................................................................
278De nos jours ............................................................................................................................................................................................................
280Architectures sans Front side bus ...........................................................................................................................................................................
281Communication avec les Entrées-Sorties .....................................................................................................................
282Interfacage Entrées-sorties .....................................................................................................................................................................................
282Interfaçage ..............................................................................................................................................................................................................
282Registres d'interfaçage ............................................................................................................................................................................................
283Contrôleur de périphérique ......................................................................................................................................................................................
285Problèmes ...............................................................................................................................................................................................................
286Interruptions ............................................................................................................................................................................................................
286Déroulement d'une interruption ...............................................................................................................................................................................
287Les différents types d'interruptions ..........................................................................................................................................................................
289Direct Memory Access .............................................................................................................................................................................................
289Arbitrage du bus ......................................................................................................................................................................................................
289Direct Memory Acces ..............................................................................................................................................................................................
293Adressage des périphériques .......................................................................................................................................
293Connexion directe ...................................................................................................................................................................................................
293Bus multiples ...........................................................................................................................................................................................................
293Bus d'entrées-sorties multiplexé .............................................................................................................................................................................
294Espace d'adressage séparé ....................................................................................................................................................................................
295Partage d'adresse ...................................................................................................................................................................................................
296IO Instructions .........................................................................................................................................................................................................
296Entrées-sorties mappées en mémoire ....................................................................................................................................................................
296Memory Mapped I/O ................................................................................................................................................................................................
298Bus unique ..............................................................................................................................................................................................................
299Et pour le CPU ? .....................................................................................................................................................................................................
300Partie 6 : Hiérarchie mémoire .........................................................................................................
300La mémoire virtuelle ......................................................................................................................................................
300Solutions matérielles ...............................................................................................................................................................................................
300Mémoire virtuelle .....................................................................................................................................................................................................
301La MMU ...................................................................................................................................................................................................................
301Segmentation ..........................................................................................................................................................................................................
302Principe ...................................................................................................................................................................................................................
303Relocation ...............................................................................................................................................................................................................
306Protection mémoire .................................................................................................................................................................................................
309Allocation dynamique ..............................................................................................................................................................................................
310Partage de segments ..............................................................................................................................................................................................
311Pagination ................................................................................................................................................................................................................
312Swapping .................................................................................................................................................................................................................
312Remplacement des pages mémoires ......................................................................................................................................................................
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