Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 1 Architecture des ordinateurs Cours 2 cours disponibles sur :

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 2 Plan ● Architecture d'un micro-ordinateur ● Les bus, les éléments de base d'un ordinateur ● Le processeur ou CPU – Schéma interne et les architectures d'un CPU – Le fonctionnement/Les améliorations ● Le cœur : l'unité arithmétique et logique – Les registres de travail / de contrôle – Les segments de mémoire – La logique combinatoire ● La logique combinatoire/ les fonctions logiques ● L'algorigramme

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 3 Architecture générale d’un micro-ordinateur Bus système processeur stockage périphériques mémoire communication Vision générale : faire discuter toutes les ressources

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 4 Un peu d'architecture En particulier : quels bus pour le transport des données ?

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 5 Un peu d'architecture Architecture actuelle

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 6 La mémoire ● Espace de stockage pour les données mais aussi pour les programmes. ● On distingue : – La mémoire vive, Random Access Memory : son contenu disparaît lorsque l’on éteint l’ordinateur – RAM (10 ns), DRAM, SDRAM, VRAM, RDRAM, DDRS DRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM, XDR DRAM (12,8 Go/s) – La mémoire morte, Read Only Memory : le contenu est figé (ne nécessite pas d’electricité pour persister) ; du coup, il ne peut pas être changé non plus…

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 7 Le disque dur ● Espace de stockage persistant pour les données et pour les programmes. ● Fonctionne grâce à un enregistrement magnétique ● Le disque magnétique et ses têtes de lectures sont associés à un contrôleur : – Serial-ATA (750Mo/s) – IDE-ATAPI – SCSI ● Le contrôleur permet des transferts de données entre la mémoire et le disque dur. ● Temps d’accès : en millisecondes.

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 8 La mémoire virtuelle Astuce économique pour éviter d’acheter plus de mémoire. ● Utiliser une partie du disque dur pour mettre temporairement de coté certains contenus de la mémoire qui ne servent pas. ● Avantage : – On peut ainsi faire croire aux programmes qu’ils peuvent utiliser plus de mémoire que ce dont la machine dispose. ● Défaut : – Il est souvent nécessaire d’échanger des zones de mémoire entre le disque et la vraie mémoire avant de pouvoir poursuivre le traitement, et cela prend beaucoup de temps puisque les disques sont environ mille fois plus lent que la mémoire !

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 9 Le(s) bus ● Chaque bus est une série de lignes électriques ● parallèles permettant de joindre le processeur et la mémoire. ● On distingue : – Le bus d’adresse qui sert à donner le numéro d’une case particulière de la mémoire. – Le bus de donnée qui permet au processeur de lire ou d’écrire une valeur dans la case de mémoire sélectionnée par le bus d’adresse.

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 10 Les périphériques ● Exemples : le clavier, le disque dur, la souris, l’écran, une imprimante, un modem, un scanner, etc. ● Ils ne sont pas indispensables à la fonction de calcul; ils ne servent qu’à rendre le fonctionnement utile à l’utilisateur humain ! ● Les périphériques sont en communication avec le processeur (ou dans le cas du DMA, directement avec la mémoire) grâce à leur contrôleur.

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 11 Interface DMA ● le DMA permet de décharger le processeur de toute la réalisation des entrées/sorties ● L'ajout d'un dispositif de DMA (Direct Memory Access) permet à l'unité d'échange d'accéder par elle-même à la mémoire centrale ● Le DMA se charge ensuite d'effectuer l'opération d'entrées/sorties, en lisant ou écrivant lui-même en mémoire centrale les données transférées par l'unité périphérique. Lorsque l'opération d'entrées sorties est terminée, le DMA émet une interruption pour le signaler au processeur

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 12 MMU : unité de gestion mémoire ● Memory management unit ● Objectifs : – Contrôleur d’accès à la mémoire – Protéger les plages mémoires ● Fonctionnement

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 13 MMU : unité de gestion mémoire ● Objectifs : ● Contrôler les accès qu'un processeur fait à la mémoire de l'ordinateur dans lequel il est placé. – Traduction d'adresses logiques en adresses linéaires par l'unité de segmentation. – La traduction d'adresses linéaires en adresses physiques par l'unité de pagination. – Le contrôle de tampon – L'arbitrage du bus – La protection de la mémoire (généralement cette fonction est faite par le MPU (memory protection unit))

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 14 MMU : unité de gestion mémoire ● Objectifs : ● La protection de plages mémoires – Un programme donné ne doit pas pouvoir accéder (en lecture ou écriture) à la mémoire utilisée par un autre programme, voire par le système d'exploitation lui-même. – D'une manière simple, chaque programme exécuté par le système d'exploitation se voit attribuer une zone mémoire protégée, dans laquelle aucun autre programme ne peut écrire.

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 15 MMU : unité de gestion mémoire ● Fonctionnement : – Le système d'exploitation programme le MMU en déclarant une zone mémoire précise comme appartenant à un programme précis (une zone exécutable de la mémoire). – L'utilisation de traduction d'adresse est souvent utilisée conjointement à la protection mémoire afin que les variables du programme commencent à l'adresse 0. – Si une tentative d'accès à de la mémoire hors plage est détectée, une interruption est levée par le MMU. Celle-ci est interceptée par le processeur et cela a généralement pour effet de stopper le programme.

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 16 MMU : unité de gestion mémoire ● Pagination de la Mémoire : ● « Expanded memory » : astuce inventée en 1984 pour fournir plus de mémoire vive (>1Mo)pour les programmes MS-DOS gourmands de cette ressource, en particulier les tableurs et les bases de données ● L'architecture d'adressage réel (20 fils), qui n'autorisait les programmes qu'à 1 Mo d'adressage,dans lequel seulement 640 Kio étaient disponibles pour la mémoire vive normale (souvent appelée mémoire conventionnelle) ● le reste étant réservé pour la communication du processeur avec les périphériques, notamment la mémoire de la carte graphique.

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 17 MMU : unité de gestion mémoire ● Segmentation de la Mémoire : ● Technique de découpage de la mémoire. Division la mémoire physique (dans le cas de la segmentation pure) ou la mémoire virtuelle (dans le cas de la segmentation avec pagination) en segments caractérisés par leur adresse de début et leur taille (décalage). La segmentation permet la séparation des données et du programme (entre autres segments) dans des espaces logiquement indépendants facilitant alors la programmation, l'édition de liens et le partage interprocessus. La segmentation permet également d'offrir une plus grande protection grâce au niveau de privilège de chaque segment

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 18 MMU : unité de gestion mémoire ● Segmentation de la Mémoire : ● Registres de segments (CS, DS, SS, etc.) contiennent le sélecteur de segment

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 19 Le (micro) processeur ● C’est l’élément central, celui qui effectue tous les calculs. ● En anglais, on l’appelle Central Processing Unit. ● Le processeur lit le programme en mémoire, effectue les actions qui y sont écrites en modifiant les données en mémoire.

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 20 CPU: Central Processing Unit D’encore plus près, le processeur contient : ● unité d'instruction qui lit les données arrivant, les décode puis les envoie à l'unité d'exécution, avec : – séquenceur chargé de synchroniser l'exécution des instructions au rythme d'une horloge. Envoie des signaux de commande – compteur ordinal contenant l'adresse de l'instruction en cours – registre d'instruction contenant l'instruction suivante. ● unité d'exécution (ou unité de traitement), qui accomplit les tâches que lui a données l'unité d'instruction. Composition : – unité arithmétique et logique (ALU : Arithmetical and Logical Unit). Fonctions basiques de calcul arithmétique et opérations logiques (ET, OU,... ) – unité de virgule flottante (notée FPU, pour Floating Point Unit), calculs complexes non entiers – registre d'état – registre accumulateur. ● unité de gestion des bus (ou unité d'E/S), gère les flux d'informations entrant et sortant, en interface avec la RAM

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 21 Puce AMD Opteron 4 cœurs ● Apparu le 22 avril 2003

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 22 Schéma Interne d'un microprocesseur ● Intruc Fetch ● Intruc Decode ● Exécution/Mémoire ● Résultat/Mémoire

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 23 Architecture de fabrication ● On classe les architectures en plusieurs grandes familles : – CISC (Complex Instruction Set Computer : choix d'instructions aussi proches que possible d'un langage de haut niveau) : 486, calculatrice TI-89, – RISC (Reduced Instruction Set Computer : choix d'instructions plus simples et d'une structure permettant une exécution très rapide) : à partir 586, Wii, XBOX 360 – VLIW (Very Long Instruction Word) ; – DSP (Digital Signal Processor). composant programmable et adaptés à certains types de calculs (3D, son, etc.).

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 24 unité de calcul en virgule flottante (FPU) ● FPU : floating point unit est une partie du processeur, spécialement conçue pour effectuer des opérations sur des nombres à virgule flottante (nombres rééls) Unité de calcul des nombres entiers Unité de calcul des nombres rééls

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 25 En résumé Architechture CPU ● Il y a quatre étapes que presque toutes les architectures von Neumann utilisent : – fetch - recherche de l'instruction ; – decode - décodage de l'instruction (opération et opérandes) ; – execute - exécution de l'opération ; – Memory, transfert depuis/vers un registre vers/depuis la mémoire (écriture/lecture). – writeback - écriture du résultat dans les registres.

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 26 Amélioration des processeurs ● Action par cycle d'horloge : 5 cycles pour 1 instruction ● 1 instruction par cycle

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 27 Amélioration des processeurs ● 1instruction par cycle ● 2 cœurs 2 instruc/cycle

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 28 Circuits Logiques Le problème, c'est qu'un processeur contient des millions de ça : des circuits logiques, composés de transistors, utilisant des fonctions booléennes Surtout à cet endroit : le cœur

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 29 Registre de travail ● Porte d'entrée de l'ALU ● a, b, c, d

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 30 Registre de contrôle ● Status Register : Registre d'états ● Le registre d'état contient toutes les informations servant à contrôler le déroulement du programme : ● ● L'indicateur de signe SF indique si le résultat de la dernière opération arithmétique ou logique est positif ou négatif. ● L'indicateur de zéro ZF indique que le résultat de la dernière opération a été égal à zéro. ● L'indicateur de parité PF indique si le nombre de uns du résultat est pair ou impair. ● L'indicateur de retenue CF permet au processeur des opérations arithmétiques à plus grande précision. ● L'indicateur de débordement OF ● L'indicateur d'interruptions pas-à-pas TF aide aux mises au point des programmes. ● L'indicateur d'interruption contrôle les interruptions externes. ● L'indicateur de direction DF

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 31 CARRY « CF »: Opération sur des nombres binaires ● Le dépassement de capacité Retenue Carry

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 32 CARRY « CF »: Opération sur des nombres binaires ● Le dépassement de capacité Retenue Carry

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 33 Assembleur ● Le langage le plus proche du code machine tout en restant lisible par des humains est le langage d’assemblage, aussi appelé langage assembleur (forme francisée du mot anglais « assembler »). Toutefois, l’informatique a développé toute une série de langages, dits de « haut niveau » (comme le Pascal, C, C++, Fortran, Ada, etc), destinés à simplifier l’écriture des programmes

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 34 Cœur du processeur : Circuits Logiques Le problème, c'est qu'un processeur contient des millions de ça : des circuits logiques, composés de transistors, utilisant des fonctions booléennes

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 35 Logique combinatoire Les transistors ont un fonctionnement très simple : en bonne porte logique, ils disent « on passe » ou « on passe pas ». On à donc 2 états pour un transistor, que l'on peut modéliser par exemple par « 0 » et « 1 ». -> pour discuter avec le processeur, il faut donc parler le langage binaire !

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 36 Les Fonctions Logiques ● NON Symbole Schéma/équationTable de vérité ● ET

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 37 Les Fonctions Logiques ● OU Symbole Schéma/équationTable de vérité

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 38 Les Fonctions Logiques ● NON ET Symbole ÉquationTable de verité

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 39 Les Fonctions Logiques ● NON OU Symbole ÉquationTable de verité

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 40 Les Fonctions Logiques ● Theoreme de DEMORGAN ● Le complément d’une somme est égal au produit des termes complémentés ● a + b = a. b ● Le complément d’un produit est égal à la somme des termes complémentés ● a. b = a + b

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 41 Les Fonctions Logiques ● Simplification

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 42 Les Fonctions Logiques ● Simplification

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 43 Les Fonctions Logiques ● Simplification

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 44 Les Fonctions Logiques ● Simplification

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 45 Les Fonctions Logiques ● Simplification

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 46 Les Fonctions Logiques ● Simplification

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 47 Les Fonctions Logiques ● Logigramme

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 48 L'algorigramme ● Comment représenter graphiquement le fonctionnement d'un programme ? ● Éléments de l'organigramme

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 49 L'algorigramme ● Algorigramme linéaire

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 50 L'algorigramme ● Algorigramme : Structure alternative

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 51 L'algorigramme ● Algorigramme : Les autres structures n'existe pas en assembleur

Iut Arles, dept. InformatiqueArchitecture des Ordinateurs, 1ère année 52 L'algorigramme ● Algorigramme : Les autres structures n'existe pas en assembleur