Architecture des ordinateurs

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Architecture des ordinateurs
Cours 2
cours disponibles sur :
http://jeanfrederic.gosio.free.fr/
Iut Arles, dept. Informatique
Architecture des Ordinateurs, 1ère année
1
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
2
Architecture générale d’un micro-ordinateur
Vision générale : faire discuter toutes les ressources
périphériques
périphériques
processeur
processeur
stockage
stockage
Bus
Bus système
système
communication
communication
mémoire
mémoire
3
Un peu d'architecture
En particulier : quels bus pour le transport des
données ?
4
Un peu d'architecture
Architecture actuelle
5
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…
6
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.
7
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 !
8
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.
9
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.
10
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
11
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.
12
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
13
Puce AMD Opteron 4 cœurs
●
Apparu le 22 avril 2003
14
Schéma Interne d'un microprocesseur
●
Intruc Fetch
●
Intruc Decode
●
Exécution/Mémoire
●
Résultat/Mémoire
15
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.).
16
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
17
Instruction
Fetcher
En résumé Architechture CPU
Instruction
Decoder
●
Memory
Interface
Il y a quatre étapes que presque
toutes les architectures von Neumann
utilisent :
–
Registers
ALU
to
memory
–
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.
18
Amélioration des processeurs
●
Action par cycle d'horloge : 5 cycles pour 1 instruction
●
1 instruction par cycle
19
Amélioration des processeurs
●
●
1instruction par cycle
2 cœurs
2 instruc/cycle
20
Circuits Logiques
Instruction
Decoder
Le problème, c'est qu'un processeur contient des millions
Memory
de ça :
Interface
Surtout
à cet endroit :
le cœur
m
Registers
ALU
des circuits logiques, composés de transistors, utilisant des
fonctions booléennes
21
Registre de travail
●
Registers
Porte d'entrée de l'ALU
a, b, c, d
ALU
22
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
23
CARRY « CF »: Opération sur des nombres
binaires
●
Le dépassement de capacité
1111 1111
+
Retenue
1 0110
-----------------
Carry
24
CARRY « CF »: Opération sur des nombres
binaires
●
Le dépassement de capacité
1111 1111
+
Retenue
1 0110
-----------------
Carry
25
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
26
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
27
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 !
28
Les Fonctions Logiques
●
NON
Symbole
●
Schéma/équation
Table de vérité
ET
29
●
OU
Symbole
Schéma/équation
Table de vérité
30
●
NON ET
Symbole
Équation
Table de verité
31
●
NON OU
Symbole
Équation
Table de verité
32
●
●
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
33
●
Simplification
34
●
Simplification
35
●
Simplification
36
●
Simplification
37
●
Simplification
38
●
Simplification
39
●
Logigramme
40
L'algorigramme
●
●
Comment représenter graphiquement le
fonctionnement d'un programme ?
Éléments
de l'organigramme
41
L'algorigramme
●
Algorigramme linéaire
42
L'algorigramme
●
Algorigramme : Structure alternative
43
L'algorigramme
●
Algorigramme : Les autres structures n'existe pas en
assembleur
44
L'algorigramme
●
Algorigramme : Les autres structures n'existe pas en
assembleur
45

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