Architecture des ordinateurs ISG Tunis Architecture des ordinateurs Réalisé par: Ben Hammouda Manel Manel_hamouda@hotmail.com 2009/2010

Objectifs Représenter l’architecture de l’ordinateur Expliquer le fonctionnement de l’ordinateur

Plan 1. 2. 3. 4. 5. Définition de l’ordinateur Historique Les principaux éléments de l’ordinateur 4. Composantes de l’unité centrale 5. Exécution d’une instruction

Définition de l’ordinateur: Un ordinateur est une machine de traitement automatisé de l’information. Fonctionnalités: Acquérir l’information, la stocker, la modifier en appliquant des instructions prédéfinies (programmes) Interagir avec l'environnement grâce à des périphériques (écran, clavier….).     

Historique 19 ème siècle : automate et machine à calcul 20 ème siècle : Von Neumann décrit un modèle de machines universelles qui possède -une mémoire -une unité arithmétique et logique -une unité d’entrées/sorties (I/O) -unité de commande (UC) boite à musique – métiers à tisser

Historique : 1ère génération 1946-1957 1946 l’ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator) 18000 Tubes – 30 tonnes Machines volumineuses et peu fiables Technologie à lampes, relais, résistances Exécute 40 000 opération/s Programmation par cartes perforées ordinateurs spécialisés, exemplaires uniques – machines volumineuses et peu fiables – technologie à lampes, relais, résistances – éxécute 40 000 opération/s – programmation par cartes perforées Câblage du programme

Historique : 2ème génération 1958- 1964 Machines fiables Technologie à transistors Exécute 200 000 opérations/s Premiers langages de programmation évolués (COBOL, FORTRAN, LISP) usage général, machines fiables – technologie à transistors -éxécute 200 000 opérations/s – premiers langages de programmation évolués (COBOL, FORTRAN, LISP) représentant : mini ordinateur DEC PDP-1 (1961) mini ordinateur DEC PDP-1 (1961)

Historique : 3ème génération 1965- 1971 4004 de INTEL(1971) Technologie des circuits intégrés Exécute 1 000 000 opération/s Avènement du système d’exploitation complexe (UNIX, Pascal, Basic, CISC) 1971 : premier microprocesseur 4004 de INTEL: Toutes les composantes de la CPU sont réunies sur une même puce technologie des circuits intégrés (S/MSI small/medium scale integration) -éxécute 1 000 000 opération/s – avènement du système d’exploitation complexe – UNIX, Pascal, Basic, – CISC 1971 : premier microprocesseur 4004 de INTEL toutes les composantes de la CPU sont réunies sur une même puce PDP 8E (1965)

Historique : 4ème génération 1972- 1977 Technologie LSI (large SI) Exécute 10 000 000 opérations/s Avènement de réseaux de machines Traitement distribué/réparti (1972-1977)technologie LSI (large SI) -éxécute 10 000 000 opérations/s – avènement de réseaux de machines – traitement distribué/réparti 1978- technologie VL/WSI (very large, wafer) – systémes distribués interactif – multimédia, traitement de données non numériques (textes, images, paroles) – parallélisme massif, client-serveur – RISC Micral-N (1973)

Historique : 5ème génération 1978 Technologie VL/WSI (very large, wafer) Systémes distribués interactif Multimédia, traitement de données non numériques: (textes, images, paroles) Parallélisme massif, client-serveur RISC

Principaux éléments de l’ordinateur Ecran Souris Périphériques   Ordinateur clavier Un ordinateur est composé de -Un moniteur : Un moniteur est un dispositif qui affiche les images et le texte générés par l’ordinateur. -Un clavier : C’est un dispositif qui permet de saisir du texte, d’entrer des données dans l’ordinateur et à lui donner des instructions. -une souris : C’est un dispositif manuel qui permet de sélectionner et de déplacer des éléments graphiques sur l’écran. -une unité centrale: C’est dans le boîtier que se trouvent la plupart des composants de l’ordinateur. Unité Centrale Unité Centrale

Unité centrale Les interfaces d’entrées/sorties L’utilisateur voit un ensemble des ports à l’arrière de l’unité centrale, ces ports sont des connecteurs utilisée pour le branchement des périphériques externe tel que imprimante, modem…….a fin de transiter les instructions et les données entre l’unité centrale et ses périphériques. Port parallèle : Ce port (LPT) possède 25 trous. Il sert au branchement des imprimantes. Port série : Ce port utilise un connecteur mâle de 9 pour connecter une sourie ou un clavier ou 25 broches pour le branchement du modem. Port USB : L’USB (Universal Serial Bus) permet de brancher des périphériques Il s'agit d'une interface entrée-sortie beaucoup plus rapide que les ports série standards. Assure la communication entre le microprocesseur et les périphériques carte graphique (écran) carte contrôleur (disque dur) carte son (micro, haut-parleur) Les interfaces d’entrées/sorties

Architecture Définition d’un Bus: Un bus est un ensemble de n fils conducteurs, utilisés pour transporter n signaux binaires entre les composantes de l’ordinateur Type des bus: Il est un bus bidirectionnel. Lors d’une lecture, c’est la mémoire qui envoie un mot sur le bus lors d’une écriture, c’est le processeur qui envoie la donnée Il est un bus unidirectionnel : transporte les adresses mémoire auxquelles le processeur souhaite accéder pour lire ou écrire une donnée. Il transporte les ordres et les signaux de synchronisation en provenance de l’unité de commande et à destination de l'ensemble des composants matériels Architecture ²² Bus des données Microprocesseur: CPU Mémoires Unité d’E/S La fréquence de cette horloge s’exprime en MHz (millions de battements par seconde). Bus d’adresse Bus de controle

Circuit électronique complexe Créé par la Société Intel Microprocesseur: CPU Athlon xp_300 pentuim 4 intel_core2duo Circuit électronique complexe Créé par la Société Intel Commande toutes les composantes de l’ordinateur Se base sur une Horloge qui synchronise les flux d’informations qui circulent dans le microprocesseur Caractéristiques d'un bus: le largeur: exprimée en bits, qui indique le nombre de données (ou bits) que l'on peut envoyer simultanément. la fréquence, ou plutôt le nombre de fois par seconde qu'un composant peut envoyer des données à l'autre sur le bus. Elle s'exprime en MHz.

Unité de traitement ou Unité Arithmétique et Logique(UAL) Microprocesseur: CPU Unité de traitement ou Unité Arithmétique et Logique(UAL) Unité de Commande

Processeur Unité de commande Unité de traitement Unité de traitement permet de séquencer le déroulement des instructions. Elle effectue la recherche en mémoire de l'instruction, assure son décodage pour enfin réaliser son exécution. Elle est composée de : Compteur ordinal (CO) : contient l'adresse de la prochaine instruction. Registre d’instruction : enregistre le code de l’instruction qui vient d’être lue dans la mémoire et ramenée dans le microprocesseur. Bloc logique de commande (ou séquenceur) : Il organise l'exécution des instructions au rythme d’une horloge Unité de traitement regroupe les circuits qui assurent les traitements nécessaires à l'exécution des instructions : Unité Arithmétique et Logique (UAL): est un circuit complexe qui assure les fonctions logiques (ET, OU, Comparaison, Décalage…) ou arithmétique (Addition, soustraction…). Accumulateurs : sont des registres de travail qui servent à stocker une opérande au début d'une opération arithmétique et le résultat à la fin de l'opération Registre d’état : indique l’état de la dernière opération effectuer par l’UAL Les registres sont des petites mémoires, dont la capacité peut varier d’un à plusieurs octets .On trouve plusieurs type de registres.

Schéma fonctionnel

Circuit semi-conducteur Mémoires Définition: Circuit semi-conducteur Permettant d’enregistrer, de conserver et de restituer des informations, ces informations peuvent être écrites ou lues. Organisation d’une mémoire: Une case mémoire peut contenir un seul élément. Ces cases mémoires sont identifiées par une adresse Il y a écriture lorsqu'on enregistre des informations en mémoire, lecture lorsqu'on récupère des informations précédemment enregistrées. La capacité : c’est le nombre total de bits que contient la mémoire. Le temps d’accès : c’est le temps qui s'écoule entre l'instant où a été lancée une opération de lecture/écriture en mémoire et l'instant où la première information est disponible sur le bus de données. Le temps de cycle : il représente l'intervalle minimum qui doit séparer deux demandes successives de lecture ou d'écriture. Le débit : c’est le nombre maximum d'informations lues ou écrites par seconde Volatilité : elle caractérise la permanence des informations dans la mémoire. L'information stockée est volatile si elle risque d'être altérée par un défaut d'alimentation électrique et non volatile dans le cas contraire.

Mémoires Capacité Temps de cycle Débit Volatilité le nombre total de bits que contient la mémoire Temps de cycle c’est l'intervalle minimum qui doit séparer deux demandes successives de lecture ou d'écriture Caractéristiques Débit c’est le nombre maximum d'informations lues ou écrites par seconde Volatilité elle caractérise la permanence des informations dans la mémoire. Temps d’accès c’est le temps qui s'écoule entre l'instant où a été lancée une opération de lecture/écriture en mémoire et l'instant où la première information est disponible sur le bus de données.

Mémoire vive: RAM (Random Acces Memory) Mémoires Types de mémoire: Mémoire vive: RAM (Random Acces Memory) Mémoires auxiliaires Mémoire morte: ROM (Read Only Memory)

Mémoires Mémoire vive: RAM (Random Acces Memory) Mémoire morte:ROM (Read Only Memory) Mémoires de masses ou auxiliaires Mémoires Elle permet de conserver les informations qui y sont contenues même lorsque la mémoire n'est plus alimentée électriquement. Ce type de mémoire ne peut être accédée qu'en lecture. Cette mémoire contient le système de gestion des matériels BIOS (Basic Input Ouput Service) qui agit comme une interface entre le Système d’exploitation et les matériels. Une mémoire vive sert au stockage temporaire de données. Elle doit avoir un temps de cycle très court pour ne pas ralentir le microprocesseur. Les mémoires vives sont en général volatiles : elles perdent leurs informations en cas de coupure d'alimentation. La mémoire de masse est une mémoire périphérique de grande capacité utilisée pour le stockage permanent ou la sauvegarde des informations. Elle utilise pour cela des supports magnétiques (disque dur) ou optiques (CDROM, DVDROM). est une mémoire périphérique de grande capacité utilisée pour le stockage permanent ou la sauvegarde des informations. Elle utilise pour cela des supports magnétiques (disque dur) ou optiques (CDROM, DVDROM).

Disque Dur: Mémoires Définition: Un disque dur est une mémoire de masse destinée à la lecture et l'écriture de données informatiques. Organisation interne du disque dur: n disques (plateaux). Sur chaque disque on trouve des pistes Un cylindre est constitué par toutes les pistes superposées de même ordre qui se présentent simultanément sous les têtes de lecture/ écriture. Tête de lecture/écriture

Mémoires

Mémoire Cache Définition: La mémoire cache consiste à placer à l'intérieur du microprocesseur une zone de mémoire dans laquelle sont copiés les éléments qui seront nécessaires avant qu'ils ne soient demandés Principe : Recherche d'une donnée dans le cache avant de la rechercher dans la mémoire principale L’écart de performance entre le microprocesseur et la mémoire ne cesse de s’accroître. En effet, les composants mémoire bénéficient des mêmes progrès technologique que les microprocesseurs mais le décodage des adresses et la lecture/écriture d’une données sont des étapes difficiles à accélérer. Il existe donc une latence d’accès entre ces deux organes. une des solutions utilisées pour masquer cette latence est de disposer une mémoire très rapide entre le microprocesseur et la mémoire. Elle est appelée cache mémoire

Carte mère Assure la connexion physique des différents composants (processeur, mémoire, carte d'entrées/sorties, ...) par l’intermédiaire de différents bus (adresses, données et commande, socket)

Exécution d’une instruction Phase 1: Recherche de l'instruction à traiter 2.Au bout d'un certain temps (temps d'accès à la mémoire), le contenu de la case mémoire sélectionnée est disponible sur le bus des données. 1.Le PC contient l'adresse de l'instruction suivante du programme. Cette valeur est placée sur le bus d'adresses par l'unité de commande qui émet un ordre de lecture 3.L'instruction est stockée dans le registre instruction du processeur 1 3 2

Exécution d’une instruction Phase 2 : Décodage de l’instruction et recherche de l'opérande 2. Si l'instruction nécessite une donnée en provenance de la mémoire, l'unité de commande récupère sa valeur sur le bus de données. 1.L'unité de commande transforme l'instruction en une suite de commandes élémentaires nécessaires au traitement de l'instruction. 3.L’opérande est stockée dans un registre. 2 1

Exécution d’une instruction Phase 3 : Exécution de l'instruction 3.L'unité de commande positionne le PC pour l'instruction suivante. 1.Le programme réalisant l'instruction est exécuté. 2. Mise à jour de registre d’état

Références: Histoire de l’informatique (09/12/2007): http://www.histoireinformatique.org/musee/2_2_13.html Note de cour de T.Dumartin (2004-2005): Architecture des ordinateurs Architecture des Ordinateur(1999-2000) : Emmanuel Viennet technologie des circuits intégrés (S/MSI small/medium scale integration) – avènement du système d’exploitation complexe – UNIX, Pascal, Basic, – CISC