INF1600: Architecture des micro-ordinateurs Introduction II

Révision – Architecture d’ordinateurs Memory Input/Output Processor Bus Source: Cours INF1040 École Polytechnique de Montréal unit é centrale m moire principale contrôleur lecteur CD/DVD disque dur port USB carte graphique moniteur r seau internet de contrôle arithm tique et logique registres cache bus carte m è re Une représentation très schématique montre les mémoires (bleu) dans la structure d’un ordinateur. La mémoire peut être vue comme une matrice de bits. 17 Juin 2009 Luiza Gheorghe

Révision – Architecture Memory Input/Output Processor Bus UCT/CPU Cache Unité de (I+D) instructions contrôle Bloc (d’instructions (pipeline) ou de Mémoire Mémoire Cache données) instruction principale virtuelle données Page données Cache R0 R1 R2 R3 Harvard architecture pour la mémoire cache – split cache données R4 R5 R6 R7 Registres Source: J. Hennessy, D. Patterson – «Computer Architecture. A quantitative approche», 4-e édition 17 Juin 2009 Luiza Gheorghe

Din Dout 1 Donnez la table de vérité du composant logique suivant: 1 Faire à la main un circuit avec 2 p-channel sur nEN

Réalisez le circuit réalisant la table de vérité suivante: nEn Din Dout 1 * Z Faire à la main un circuit avec 2 p-channel sur nEN https://tams.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades/webdemos/05-switched/40-cmos/tristate.html

A B Dout 1 Donnez la table de vérité du composant logique suivant: 1 Faire à la main un circuit avec 2 p-channel sur nEN

Soit le circuit suivant: Pour quelles combinaisons d’entrées (A, B, C, D) la sortie F sera-t-elle à Z (haute impédance) ? Pour quelles combinaisons d’entrées (A, B, C, D) la sortie F sera-t-elle à 1 ? Faire à la main un circuit avec 2 p-channel sur nEN

Objectifs de la leçon Décrire les fonctions et types de bus utilisés dans un ordinateur Faire une liste des interfaces de communication les plus communes Calculer le temps d'accès moyen aux données sur un disque rigide Décrire comment les informations sont stockées sur un CD Les méthodes de conversion analogique-numérique les plus utilisées 1 2 3 4 5 8

Agenda Le bus Les péripheriques 1 2 3 4 5

1 Interconnexion: bus Memory Processor Input/Output Un ou plusieurs fils, pour communiquer des « données » Plusieurs éléments sur un même bus Un seul parle à la fois Moyen simple de connecter plusieurs éléments Interne au processeur ou externe Bus Unité arith. (UAL) Adresse mémoire Donnée Mémoire Compteur d’instructions Instruction Banque de registres Circuit de contrôle Pour le bus externe, montrer le bus PCI sur la carte mère (et la photo du lien « bus PCI » sur la page intro.htm, permettant de mieux suivre les fils pour bien voir que c’est un bus). 10

Bus de mem très rapide, le pont permet de ne pas être ralentit par le PCI source: A.S. Tanenbaum, Structured Computer Organization, 4e édition, Prentice-Hall

Agenda Le bus Les péripheriques 1 2 3 4 5 STXT: First what is a Von Neumann Architecture, then how this device behaves and allows computer to do things. Finally we will see how this all boils down to a physical device.

Anecdote, i2c (serie) => clock pollue la ligne de données. Périphériques: communication Interfaces de communication Bus standard Débit Type de bus Centronics ~50kB/s Parallèle 8-bits RS232 30B/s – 20kB/s Série (1-bit) Ethernet 10Mb/s – 1Gb/s (1 – 100MB/s) Série ATA 2,1 – 133MB/s 16-bits SATA 150 – 300MB/s PCI 133MB/s 32-bits AGP 266 – 2133MB/s PCIe (Express) 250 – 4000MB/s 1 – 16 voies (bits) Source: wikipedia.org Pourquoi à hautes fréquences les series sont préférables ? =>interferences entre les cables. Anecdote, i2c (serie) => clock pollue la ligne de données. 13

Source: wikipedia.org

Montrer: https://www.youtube.com/watch?v=3owqvmMf6No Périphériques: disques rigides Disque rigide magnétique (Control Data Corporation 6603 Disk File Controller): Table à café de 26" (~66 cm) de diam., fait d’un plateau de ~9MB (1967) Montrer: https://www.youtube.com/watch?v=3owqvmMf6No SSD moins d’énergie, mais nombre d’écriture limitée Source: wikipedia.org Source: grandideastudio.com 15

Périphériques: disques rigides 3 Périphériques: disques rigides Vitesse de rotation constante (RPM) Plusieurs plateaux Deux surfaces par plateau Un bras avec une tête par surface Chaque surface est divisée: Pistes (« track »): cercles concentriques Secteur: partie de piste Cylindre Pistes de toutes surfaces situées a la même distance du centre Zone Cylindres ayant le même nombre de secteurs © 2007 M. Murdocca and V. Heuring Source: pcguide.com 16

Pourquoi en moyenne le déplacement est de 1/3? Périphériques: disques rigides Distribution des données (exemple): Zone Pistes/zone Secteurs/piste 624 792 1 1424 780 2 1680 760 … 13 1168 400 14 1815 370 Octets/secteur 512 octets/secteur Pourquoi en moyenne le déplacement est de 1/3? Premièrement les hypothèse: les déplacements se font à des emplacements aléatoires, indépendants et uniformément distribués, et le temps est directement proportionnel à la distance du déplacement (notez que dans une utilisation standard d’un disque les hypothèses sont rarement respectées). Soit une position sur le disque normalisée [0,1], la probabilité que la tête soit à un endroit entre 0 et 1 est de 1, et la probabilité est 0 à l’extérieur de l’intervalle. La position de départ D et de d’arrivée A ont la même distribution. On veut trouver l’espérance de la distance |A-D|. La distribution de A-D est la convolution de la distribution de A et de D, qui donne un triangle (vaut 0 en -1, vaut 1 en 0, et vaut 0 en 1; vaut 0 à l’extérieur de l’intervalle [-1,1]). On prend la valeur absolue en repliant le triangle, qui nous donne un autre triangle (vaut 2 en 0, vaut 0 en 1; vaut 0 à l’extérieur de l’intervalle [0,1]). L’espérance pour une distribution de probabilité P(x) est E(P(x)) = Intégrale x P(x) dx sur tout le domaine. Le triangle est défini par P(x) = 2 – 2x entre 0 et 1, x P(x) = 2x – 2x2, et l’intégrale est x2 – 2x3/3 évalué entre 0 et 1. Vaut 1-2/3=1/3 en 1 et 0 en 0, d’où l’espérance étant de 1/3. Mentionner le problème de M = 106 ou M = 220 et la norme IEEE-1541 pour les préfixes binaires (dans la partie « représentation des nombres entiers » des notes de cours). Pour le taux de transfert, montrer l’image du lien « graphique du taux de transfert en fonction de la position » sur la page intro.htm. 17

Périphériques: disques rigides 3 Périphériques: disques rigides Surface Zone 18

Périphériques: disques rigides 3 Périphériques: disques rigides Zone Piste 19

Périphériques: disques rigides 3 Périphériques: disques rigides Secteur Piste 20

Périphériques: disques rigides 3 Périphériques: disques rigides Secteur Octet 21

Source: © 2007 M. Murdocca and V. Heuring Source: IEEE 1541

Pourquoi en moyenne le déplacement est de 1/3? Périphériques: disques rigides Temps d’accès a une information: Déplacement du bras sur la piste (tête): « seek time » Temps de rotation: « rotational latency » Moyenne: déplacement de 1/3, rotation de ½ « seek time » : 8ms (disque rapide) Latence de rotation: 4ms (7200RPM) Taux de transfert au disque: Vitesse de rotation * secteurs/piste * données/secteur(=512B/secteur) Exemple: (IBM - Deskstar 40GV and 75GXP Product Manual, © 2000) 7200/60 * 792 * 512*8 / 220 = 371,25 (Mb/s) Pourquoi en moyenne le déplacement est de 1/3? Premièrement les hypothèse: les déplacements se font à des emplacements aléatoires, indépendants et uniformément distribués, et le temps est directement proportionnel à la distance du déplacement (notez que dans une utilisation standard d’un disque les hypothèses sont rarement respectées). Soit une position sur le disque normalisée [0,1], la probabilité que la tête soit à un endroit entre 0 et 1 est de 1, et la probabilité est 0 à l’extérieur de l’intervalle. La position de départ D et de d’arrivée A ont la même distribution. On veut trouver l’espérance de la distance |A-D|. La distribution de A-D est la convolution de la distribution de A et de D, qui donne un triangle (vaut 0 en -1, vaut 1 en 0, et vaut 0 en 1; vaut 0 à l’extérieur de l’intervalle [-1,1]). On prend la valeur absolue en repliant le triangle, qui nous donne un autre triangle (vaut 2 en 0, vaut 0 en 1; vaut 0 à l’extérieur de l’intervalle [0,1]). L’espérance pour une distribution de probabilité P(x) est E(P(x)) = Intégrale x P(x) dx sur tout le domaine. Le triangle est défini par P(x) = 2 – 2x entre 0 et 1, x P(x) = 2x – 2x2, et l’intégrale est x2 – 2x3/3 évalué entre 0 et 1. Vaut 1-2/3=1/3 en 1 et 0 en 0, d’où l’espérance étant de 1/3. Mentionner le problème de M = 106 ou M = 220 et la norme IEEE-1541 pour les préfixes binaires (dans la partie « représentation des nombres entiers » des notes de cours). Pour le taux de transfert, montrer l’image du lien « graphique du taux de transfert en fonction de la position » sur la page intro.htm. Zone Pistes /zone Secteurs/piste Taux (Mb/s) 624 792 372.0 1 1424 780 366.4 2 1680 760 357.0 … 13 1168 400 187.9 14 1815 370 173.8 23

4 Périphérique: CD Initialement fait pour le son: 44100 échantillons/seconde * 2 canaux * 16 bits 75 secteurs/seconde (donc 2352 octets/secteur) Une piste en spirale ; vitesse linéaire constante Pour les données: Choix de 2048 (mode1) ou 2324 (mode2 form2) octets/secteur + correction d’erreurs Encodage: 1 = transition (trou-à-plat ou plat-à-trou), 0 = constant 8 bits encodés sur 14 bits données + 3 bits liaison uns séparés d’au moins 2 zéros; pas plus de 10 zéros de suite Au moins 2 zéros sinon la bosse serait trop petite, et pas plus de 10 zéros pour s’assurer de garder la synchronisation (si c’est plat trop longtemps, on ne saura plus si on compte les bits exactement à la bonne vitesse). 24

** Poursuivre avec les diapos du video sur commodore 64 5 Périphérique écran Affiche les lignes une par une Réaffiche l’écran X fois par seconde (50 à 120Hz) Données viennent d’une mémoire Intensité du pixel: conversion numérique analogique Même si un écran cristaux liquides ou plasma pourrait théoriquement tout afficher en même temps, ça prendrait beaucoup trop de fils de contrôle et c’est pourquoi ils utilisent aussi un balayage comme les écrans à tube. Les projecteurs DLP (digital light processing) sont les seuls (à ma connaissance) qui n’utilisent pas vraiment de conversion numérique analogique. La valeur de l’intensité est convertie en une séquence de 1 et 0, contrôlant l’orientation des micro-miroirs, dont la moyenne donne la bonne intensité. ** Poursuivre avec les diapos du video sur commodore 64 Source: wikipedia.org 25

Montrer exemple de noiseshaping d’ordre 1 (fichier text) 5 Périphériques: interface analogique Conversion numérique-analogique Échelle R-2R Modulation Delta-Sigma Modulation par largeur d’impulsion (Pulse-width Modulation - PWM) Conversion analogique-numérique Rampe Approximations successives Montrer exemple de noiseshaping d’ordre 1 (fichier text) Montrer exemple de noiseshaping avec Audition (guitar.wav et un sweep, convertis en 4 bit, sans NS, avec A, avec C2, +dither) lien « Exemple de conversion 4-bit … » Delta-sigma +/- freq. La ou PWM est sur la largeur Source: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/dac.html 26

Agenda Le bus Les péripheriques 1 2 3 4 5 STXT: First what is a Von Neumann Architecture, then how this device behaves and allows computer to do things. Finally we will see how this all boils down to a physical device.

Sommaire Décrire les fonctions et types de bus utilisés dans un ordinateur 1 Moyen simple de connecter plusieurs éléments Interne, externe Sériel (USB, PCIx. SATA...) Parallèle (PATA, PCI, ...) Faire une liste des interfaces de communication les plus communes 2 STXT: The logical structure of almost every computer is given by the Von Neumann Architecture, where we have an Instruction Processor, a Memory, and Input/Output interfaces, interconnected by a bus.

Sommaire Calculer le temps d'accès moyen aux données sur un disque rigide 3 4 Décrire comment les informations sont stockées sur un CD 1 = transition trou-à-plat ou plat-à-trou, Eight-to-Fourteen Modulation (EFM) 5 Les méthodes de conversion analogique-numérique les plus utilisées Échelle R-2R, Delta-Sigma, PWM, Rampe, Approximations successives

Vitesse de rotation = 1/temps de rotation 3 Example Dans un disque dur où il y a 128 bits par secteur, 400 secteurs par piste, une seule zone et un temps de rotation de 0,01 secondes, quel est le taux de transfert en bits par seconde ? Vitesse de rotation = 1/temps de rotation Vitesse de rotation * secteurs/piste * données/secteur 5 120 000 30