Architecture des ordinateurs

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Architecture matérielle
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Nicolas Dewaele
Architecture des ordinateurs
Nicolas Dewaele
Définition d'un ordinateur
Nicolas Dewaele
Architecture de Von Neumann
(Années 1940)
Von Neumann : Mathématicien, inventeur
de l'architecture des ordinateurs modernes :
L’architecture de Von Neumann décompose l’ordinateur en 4 parties distinctes
1. L’unité arithmétique et logique : Effectue les opérations de base ;
2. L’unité de contrôle : séquençage des opérations ;
3. La mémoire qui contient à la fois les données et le programme qui dira à
l’unité de contrôle quels calculs faire sur ces données.
La mémoire se divise entre mémoire volatile et mémoire permanente.
4. Les entrées-sorties, qui permettent de communiquer avec l'extérieur.
Nicolas Dewaele
Architecture de base
d'un ordinateur
L'architecture de base de l'ordinateur est :
- carte mère
- mémoire de masse
- mémoire vive
- processeur
Nicolas Dewaele
Carte mère
Nicolas Dewaele
Carte mère
- Générations de cartes mères
- Rôle des chipsets
- Bus
- Socket du processeur
- BIOS
Nicolas Dewaele
Cartes mères : Époque Pentium II
Nicolas Dewaele
Cartes mères : Récente
Nicolas Dewaele
Bus et ponts
Chaque bus est composé de
50 à 100 lignes physiques contenant :
- Un bus de données
- Un bus d'adresses
- Un bus de contrôle
Réduction du nombre de voies
physiques pour relier les
équipements.
Propriété d'un bus :
Largeur x fréquence
= bande passante
Principaux bus :
FSB : Processeur > Pont Nord
Bus mémoire : RAM > Pont Nord
Bus matériel : USB, PCI, Sata, …
Nicolas Dewaele
Rôle des chipsets :
Exemple avec une carte mère Intel
Nicolas Dewaele
•
•
•
•
•
BIOS
Première prise en charge du matériel
Bips et avertissements physiques
Démarrage de l'ordinateur par POST
Possibilité de le mettre à jour (flashage)
Plus de BIOS = Rachat de carte mère
Nicolas Dewaele
Processeur
Nicolas Dewaele
Processeurs
- Rôle du processeur
- Type d'architectures
- Unités du processeur
Nicolas Dewaele
Rôle du processeur
Un microprocesseur est un processeur dont les composants
ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dans
un unique circuit intégré.
Le processeur effectue les calculs et traite les données
demandées par les applications.
Nicolas Dewaele
Lois de Moore
• Moore, un des trois ingénieurs fondateurs d'Intel a
énoncé deux lois :
• 1ère Loi :
1965 : La complexité des semi-conducteurs entrée de gamme doublait
tous les ans à coût constant depuis 1959, date de leur invention, Moore
postulait la poursuite de cette croissance
• 2ème loi :
1975 : le nombre de transistors des microprocesseurs (et non plus de
simples circuits intégrés moins complexes car formés de composants
indépendants) sur une puce de silicium double tous les deux ans.
Nicolas Dewaele
Générations de processeurs
Nicolas Dewaele
Générations de processeurs
Date
Nom
Nombre de
transistors
1971
4004
2 300
1974
8080
6 000
1979
8088
1982
Finesse de
gravure (µm)
Fréquence
de l'horloge
Largeur
des données
MIPS
108 kHz
4 bits/4 bits bus
6
2 MHz
8 bits/8 bits bus
0,64
29 000
3
5 MHz
16 bits/8 bits bus
0,33
80286
134 000
1,5
6 MHz
16 bits/16 bits bus
1
1985
80386
275 000
1,5
16 à 40 MHz
32 bits/32 bits bus
5
1989
80486
1 200 000
1
25 à 100 MHz
32 bits/32 bits bus
20
1993
Pentium
3 100 000
0,8 à 0.28
60 à 233 MHz
32 bits/64 bits bus
100
1997
Pentium II
7 500 000
0,35 à 0.25
233 à 450 MHz
32 bits/64 bits bus
300
1999
Pentium III
9 500 000
0,25 à 0.13
450 à 1400 MHz
32 bits/64 bits bus
510
2000
Pentium 4
42 000 000
0,18 à 0.065
1,3 à 3.8 GHz
32 bits/64 bits bus
1 700
2004
Pentium 4D
« Prescott »
125 000 000
0,09 à 0.065
2.66 à 3.6 GHz
32 bits/64 bits bus
9 000
2006
Core 2™ Duo
291 000 000
0,065
2,4 GHz (E6600)
64 bits/64 bits bus
22 000
2007
Core 2™ Quad
2*291 000 000
0,065
3 GHz (Q6850)
64 bits/64 bits bus
2*22 000
(?)
2008
Core 2™ Duo
(Penryn)
410 000 000
0,045
3,33 GHz (E8600)
64 bits/64 bits bus
~24 200
2008
Core 2™ Quad
(Penryn)
2*410 000 000
0,045
3,2 GHz (QX9770)
64 bits/64 bits bus
~2*24 200
2008
Intel Core i7
(Nehalem)
731 000 000
0,045 (2008) 0,032 (2009)
2,93 GHz (Core i7 940) 3,2 GHz (Core i7 Extreme
Edition 965)
64 bits/64 bits bus
?
Nicolas Dewaele
Loi de Wirth
• Wirth est professeur d'informatique suisse. Il a inventé
plusieurs langages de programmation (notamment
Pascal et ses dérivés) et énoncé la loi de Wirth en
1995.
• Loi de Wirth :
1995 : Le logiciel ralentit plus vite que le matériel n'accélère.
Les éditeurs de logiciels s'appuient sur la loi de Moore pour éviter
d'optimiser le code. Les logiciels sont donc de plus en plus lourds,
globalement, les traitements logiciels n'accélèrent pas alors que les
processeurs sont plus rapides.
Le terme obésiciel est utilisé pour les logiciels très lourds, par exemple
la suite MS Office ou Nero Burning Rom.
Organisation du processeur :
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• Ordonnanceur :
– Attribue à chaque tâche un
niveau d'importance et un temps
défini.
• Accumulateur :
– Stockage des données en cours
de traitement par l'UAL
• UAL :
– Unité capable d'effectuer des
calculs mathématiques
• Compteur ordinal :
– Contient l'adresse mémoire de la
donnée en cours d'exécution
• Registres :
– Stockent diverses informations.
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Architectures de processeurs :
• CISC (Complex Instruction Set Computer)
• Processeurs x86 (Intel et AMD avant Pentium)
• RISC (Reduced Instruction Set Computer)
• Processeurs Sparc (Sun), IBM dont les PowerPC utilisés sur Mac
• Aujourd'hui :
• Sur Intel et AMD : Architectures RISC dans laquelle est émulée
un jeu d'instructions CISC (IA 32).
• Performances comparables entre CISC et RISC.
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Architectures de processeurs :
Architecture historique
Architecture pipeline
Super Scalaire
Super Pipeline (Pentium IV)
Nicolas Dewaele
Mémoires
Mémoires :
• Mémoire de masse :
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–
–
–
–
Disques durs, CD, DVD, mémoires Flash
Permettent de stocker de façon durable les données.
1000 fois plus lente que la RAM ! Non volatile.
Peut contenir une extension de la mémoire vive :
Swap ou mémoire paginée ou mémoire virtuelle.
• Mémoire vive :
– RAM, mémoire graphique
– Permet de stocker temporairement une information
pour pouvoir la rendre disponible au processeur
– Mémoire rapide, mémoire volatile.
• Mémoire cache :
– Mémoire interne au processeur
– La plus rapide des mémoires. Mémoire volatile.
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• Statique :
Mémoires vives
– La mémoire réserve une taille définie pour chaque
emplacement. C'est au programmeur de s'adapter.
• Paginée :
– La mémoire réserve des emplacements non contigus
et de taille variable en fonction du besoin du
programme.
– Une adresse logique pour un ensemble d'adresses
physiques.
– Nécessite un équipement qui ordonne ces pages de
mémoire.
• Segmentée :
– Un programme se voit allouer des segments de
mémoire pour :
» Le tas, la pile, les variables d'environnement, le
code exécutable.
Nicolas Dewaele
Organisation de la mémoire
Grâce au MMU, le CPU ne voit
qu'une adresse logique alors que
la mémoire est paginée en
plusieurs adresses physiques
CPU
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Processus dans une mémoire segmentée
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Les mémoires de stockage
Les ROMs et dérivées
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• ROM :
– Mémoire en lecture seule. Non modifiable.
• PROM :
– Mémoire programmable physiquement une seule fois
par brûlure des fusibles.
• EPROM :
– Mémoires reprogrammables en utilisant des rayons
UV (avec une machine particulière)
• EEPROM ou mémoires Flash :
– Mémoires reprogrammables électriquement.
– Utilisées sur tous les équipements de petite taille (Clés
USB, PDA, téléphones, mini portables, électronique
embarquée, ...
Nicolas Dewaele
Disques durs
Nicolas Dewaele
Disques durs
Nicolas Dewaele
• Formatage :
Disques durs
• de haut niveau : le plus connu, qui se fait avec des logiciels comme
fdisk ou partition magic. Il permet de supprimer et de ré-écrire un
système de fichier (FAT, NTFS, EXT2, ... )
• de bas niveau : il se fait au niveau physique, supprime les
partitions, les systèmes de fichiers, le MBR et réinitialise tout le
disque cluster après cluster.
• Partitionnement :
• Un disque dur peut être découpé en partitions.
• 4 partitions principales au maximum, dans lesquelles on met des
systèmes d'exploitation.
• 1 partition étendue qui contient autant de lecteurs logiques que l'on
veut.
• MBR :
• 512 premiers octets du disque dur.
• Contient la table des partitions
• Contient l'adresse du logiciel d'amorçage.
Nicolas Dewaele
RAID :
Redundant array of inexpensive disks ou
Redundant array of independant disks
• Niveau 0 : Stripping
Nicolas Dewaele
• Niveau 1 : Mirorring
RAID :
Nicolas Dewaele
• Niveau 5 :
RAID :
Nicolas Dewaele
• Niveau 0-1
RAID
Nicolas Dewaele
• Niveau 1-0
RAID

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