Architecture des ordinateurs

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Architecture des ordinateurs
Il s'agit dans ce cours de comprendre,
à bas niveau, l'organisation des
ordinateurs
Introduction
• L'informatique à sa motivation initiale était
de faciliter et d'accélérer le calcul,
maintenant se sont ajoutées de nombreuses
fonctionnalités:
–
automatisation
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automatisation
,
– contrôle et la commande de pratiquement tout
processus,
– la communication et le partage de l'information.
Introduction
• Un ordinateur peut être découpé en plusieurs
blocs fonctionnels :
–Traitement de l'information par le processeur;
–Actions définies par des instructions;
Données
et
instructions
stockées en
mémoire
;
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–
Données
et
instructions
stockées
en
mémoire
;
–Processeur et mémoire sont reliés par un bus;
–Communication par les dispositifs d'entrées et de
sorties
Introduction
• Un ordinateur a toujours les mêmes blocs fonctionnels :
– unité de traitement;
–mémoire;
– disque dur;
– écran,
–clavier,
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– souris
– disquette,
– bande magnétique,
– disque optique;
– imprimante;
–etc.
• reliés par des bus ou des réseaux.
Histoire des ordinateurs
1ère
génération 1946 ENIAC
Matériel : Lampes électroniques, temps moyen
entre deux pannes de l'ordre du quart
d'heure
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Logiciel : Programmation en langage machine
Usage : Calcul de tables, pour la balistique, la
bombe, etc.
Histoire des ordinateurs
2ème
génération 1955 - IBM 650
Matériel : transistor et circuit imprimé
Lo
g
iciel : s
y
stème d'ex
p
loitation
b
atch,
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g
yp
programmation en assembleur, puis en
FORTRAN
Usage : Calcus numériques répétitifs

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Histoire des ordinateurs
3ème
génération 1964 - IBM 360, CDC 6000, mini- ordinateurs
Matériel : circuits intégrés, parallélisme dans
l'exécution pour améliorer la vitesse
L iil
il t d l d
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L
og
i
c
i
e
l
: comp
il
a
t
eurs
d
e
l
angages
d
e
programmation : FORTRAN, Cobol,
Algol, PL/1, APL, Lisp, Pascal, C.
Systèmes en temps partagé.
Usage : Ordinateur central d'entreprise,
spécialisé gestion ou calcul
Histoire des ordinateurs
4ème
génération 1976 – microordinateurs Apple II, puis IBM PC
Matériel : microprocesseur VLSI (inventé en
1974 par Intel) : 1 MHz, 1Ko à 8 Ko
de RAM
Liil
li if bl
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L
og
i
c
i
e
l
: app
li
cat
if
s : ta
bl
eur, texteur.
Usage : Microordinateur individuel de bureau.
Services informatiques d'entreprise
centralisés en infocentre
Histoire des ordinateurs
5ème
génération 1984 - Macintosh, stations Sun
Matériel : microprocesseurs : 8 MHz, 512 Ko à 1
Mo de RAM
L
o
g
iciel : MSDOS, MacOS avec icônes et souris
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g
Usage : microordinateur individuel familial et
de bureau, apparition progressive de la
mise en réseau local, politique de
downsizing en entreprise
Histoire des ordinateurs
6ème
génération 1992 – PC, Wintel
Matériel : microprocesseurs : 33 MHz, 640 Ko à
4Mo de RAM, super ordinateurs : 150
Gi
g
aflo
p
s
(
Fu
j
itsu VPP 700, 1999
)
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gp(
j)
Logiciel : Navigateur pour le web, mutimédia
Usage : Généralisation de l'ordinateur, tandis
que la puisance de calcul donne accès
au traitement d'images et de sons.
Internet. Groupware.
Histoire des ordinateurs
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ème
génération ?
Matériel : portable miniature, 3 GHz en 2001
ou invisible : intégré aux objets de la
vie courante
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Logiciel : entrée - sortie vocale ? Assistance à
l'utilisateur par des agents intelligents
?
Usage : Ne se plante plus ? Concept d'objet -
terminal d'Internet ?
Architecture de Von Neumann
• Architecture caractérisée par un processeur et
une mémoire reliés par un bus :
– Instructions et données sont stockées dans la
mémoire.
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–
Pour accéder à une information en mémoire le
processeur affiche sur le bus l'adresse de celle-ci.

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Architecture de Von Neumann
• La machine de base ne présenterait aucun
intérêt sans au moins un dispositif
d'entrée/sortie pour une communication avec
l'extérieur.
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• Interface directement reliée au processeur :
Architecture de Von Neumann
• Interface connectée au bus commun :
– Un fil spécialisé du bus indique si le processeur
s'adresse à la mémoire ou à l'interface d’E/S.
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Architecture de Von Neumann
• Interface vue par le processeur comme une
partie de la mémoire :
– L'interface est sur le bus commun, le choix de
l'adresse indique si le processeur s'adresse à la
éi àl'itf
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m
é
mo
i
re ou
à
l'i
n
t
er
f
ace.
Processeur
• Le fonctionnement d'un processeur est basé
sur l'exécution des instructions en étapes :
– chargement de l'instruction à exécuter ;
– décodage de l'instruction ;
localisation des données en mémoire ;
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–
localisation
des
données
en
mémoire
;
– chargement des données si nécessaire ;
– exécution de l'instruction ;
– sauvegarde des résultats à leurs destinations
respectives ;
– passage à l'instruction suivante.
Unité centrale de traitement
• L'unité de commande contient un dispositif de
décodage des instructions et un séquenceur
pour le contrôle des circuits nécessaires à
l'exécution de l'instruction en cours;
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• L'unité arithmétique et logique (ALU) exécute
des opérations arithmétiques comme
l'addition, la soustraction, des décalages, des
opérations booléennes (ET, OU, etc...), des
comparaisons, etc...
Unité centrale de traitement
•Registres : mémoire locale rapide pour le stockage
des résultats temporaires et des commandes :
– compteur ordinal (CO) pointe sur la prochaine
instruction à exécuter;
it d'i t ti
(RI) ti t l'i t ti
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–
reg
i
s
t
re
d'i
ns
t
ruc
ti
on
(RI)
con
ti
en
t
l'i
ns
t
ruc
ti
on en
cours d'exécution;
– registre d'état (PSW : Processor Status Word)
indique l'état du système : dépassement, retenue,
etc...
– pile et pointeur de pile (SP : Stack Pointer);

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Unité centrale de traitement
•
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Horloge
• Toutes ces unités fonctionnent au même rythme, à
une cadence imposée par une horloge, externe à
l'unité centrale.
• A chaque cycle d'horloge, chaque unité va ouvrir ou
fermer certaines portes pour déplacer lire écrire
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fermer
certaines
portes
pour
déplacer
,
lire
,
écrire
,
comparer, additionner des bits.
• Ceci se fait en fonction d'ordres donnés par l'unité de
contrôle. Ces ordres dépendent évidemment de
l'instruction à exécuter.
Mémoires
•Mémoireest tout dispositif capable de stocker
des informations (instructions et données)
• Les informations peuvent être écrites ou lues
–Il
y
a écriture lors
q
u'on enre
g
istre des
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y
qg
données en mémoire,
–lecture lorsqu'on sort des informations
précédemment enregistrées
Mémoires
•Le temps d'accès est :
– le temps qui s'écoule entre l'instant où a été lancée
une opération de lecture en mémoire et l'instant où
la première information est disponible.
L
dl
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•
L
e temps
d
e cyc
l
eest :
– l'intervalle minimum qui doit séparer deux
demandes successives de lecture ou d'écriture
• Le temps de cycle est égal ou supérieur au
temps d'accès
Mémoires
•On appelle cadence de transfert ou débit d'une
mémoire, le nombre maximum d'informations
lues ou écrites par unité de temps
• Une mémoire est formée d'un certain nombre
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de cellules, ou cases
• Chaque cellule a un numéro (adresse) qui
permet de la référencer et de la localiser
• Avec une adresse de n bits il est possible
de référencer directement au plus 2ncellules
Mémoires
•La capacité d'une mémoire est le nombre total
de cellules qu'elle contient
• Elle s'exprime en nombre de bits, d'octets
(bytes) ou de mots (words)
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• Compte tenu de l'adressage binaire, les
capacités des mémoires s'expriment en
puissances de deux ou en multiples de
210 = 1024

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Mémoires
•
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Mémoires
• Dans une mémoire à semi-conducteur, on accède
directement à n'importe quelle information dont on
connaît l'adresse et le temps d’accès ne dépend pas
de l'adresse
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Le Bus
•Un bus est le moyen de
communication entre les
éléments d’une machine.
• C’est un ensemble de fils
électriques
. Les éléments sont
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électriques
.
Les
éléments
sont
reliés au bus par des connecteurs
• Chaque emplacement (slot) du
fond de panier peut recevoir une
carte électronique
Entrées/Sorties
• Pour pouvoir exécuter une tâche, l'ordinateur
doit disposer du programme et des données.
Dès que le travail est accompli, les résultats du
traitement sont communiqués à l'utilisateur.
Les techniques d
'
échange d
'
informations entre
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Les
techniques
déchange
dinformations
entre
l'ordinateur et son environnement externe sont
appelées techniques d'Entrées/Sorties (E/S ou
I/O pour Input/Output)
Micro-ordinateur 16 bits
•
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