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Architecture de base d’un ordinateur

26/08/2016 ENCG 2007-2008 - Pr. M. Benjelloun 2

Il y a 10 types de gens dans le monde : ceux qui comprennent le binaire et ceux qui ne le comprennent pas.


Contenu du cours

l'aboutissement d'une longue histoireLa structure d'un ordinateurLe processeurL'unité arithmétique et logiqueLes mémoiresLes entrées - sortiesOrdinateur personnel


l'aboutissement d'une longue histoire

L'informatique est née de la convergence de plusieurs démarches :1. la mécanisation du calcul arithmétique:

la 'Pascaline' de Blaise Pascal (1643), capable d'effectuer additions et soustractions,la machine de Leibnitz (1673) qui ajoute la multiplication, la division et le calcul des racines carrées,

2. la logique mathématique:Boole (1854) qui formalise une algèbre avec deux éléments (vrai et faux) et trois opérations (et, ou, non),Shannon (1938) qui lie l'algèbre de Boole, les nombres binaires et les signaux électriques,Turing (1936) avec les bases de l'algorithmique moderne.

En 1946 John von Neumann a pose les principes de ce qu'est un ordinateur : une machine de traitement de l'information a programme enregistre.


Chronologie


Introduction

Un ordinateur est une machine de traitement del’information. Il est capable d’acquérir de l’information, de lastocker, de la transformer en effectuant des traitementsquelconques, puis de la restituer sous une autre forme.

Une information est tout ensemble de données.textes,nombres,sons, images, etc.,les instructions composant un programme.

Toute information est manipulée sous forme binaire (ounumérique) par l’ordinateur.


Contenu du cours



La structure d'un ordinateur

Processeur

mémoire


Architecture de Base

L’architecture de base de la plupart des systèmes à microprocesseuractuel est composée des éléments suivants :

une unité centrale (UC)une mémoire principaledes interfaces d’entrées/sorties (E/S)

Les différents organes du système sont reliés par des voies de communication appelées bus.


Architecture de Von Neumann

Cette architecture est caractérisée par un processeur etune mémoire reliés par un bus :

Les instructions et les données sont stockées dans lamémoire.L'efficacité d'un ordinateur est directement liée au débit desinformations (instructions et données) qui circulent entre lesdifférents éléments.


Communication avec l'extérieur

La machine de base, dite de Von Neumann, neprésenterait aucun intérêt sans un dispositifd'entrées/sorties pour permettre une communication avecl'extérieur.Pour une machine aussi simple il existe au moins troisméthodes pour installer un tel dispositif :

Interface directement reliée au processeur

Interface connectée au bus commun: le processeur s'adresse à la mémoire ou à l'interface d'E/S.

Interface vue par le processeur comme une partie de la mémoire


Architecture de Harvard

Dans cette architecture on sépare physiquement lamémoire des instructions (MI) et la mémoire de données(MD). Chacune de ces mémoires est accessible par un busdifférent. Il est alors possible d'accéder simultanément auxinstructions et aux données, ce qui permet d'augmenter leflux des informations.


Opérations en parallèle

Pour permettre aux interfaces d'E/S de lire ou d'écrire desdonnées en mémoire pendant que le processeur effectue descalculs sur les données précédentes, il est intéressant d'utiliserune mémoire de données accessible depuis deux portsdifférents.

De cette façon le processeur et l'interface peuvent chacunaccéder alternativement à une moitié différente de la mémoire

P E/S

P E/S


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Architecture

Les principaux constituants d’un ordinateur sont le processeur et la mémoire principale.

le bus système permet au processeur de communiquer avec la mémoire centrale du système (RAM).

• Le bus d'adressage • Le bus de données

les bus d'extension (bus d'entrée/sortie) permet aux divers composants de communiquer entre eux


Le processeur

Le processeur est divisé en deux parties l’unité de commande et l’unité de traitement :

l’Unité de Commande est responsable de la lecture en mémoire et du décodage des instructions ;l’Unité de Traitement, aussi appelée Unité Arithmétique et Logique (U.A.L.), exécute les instructions qui manipulent les données.


Unité centrale : Le processeur

le processeur exécute les opérations arithmétiques et logiques contenues dans les programmes qui composent la partie logicielle de l’ordinateur Le processeur est un circuit électronique complexe qui exécute chaque instruction en quelques cycles d’horloges.

La fréquence de cette horloge s’exprime en MHz (millions de battements par seconde).

Pour chaque instruction, le processeur effectue schématiquement les opérations suivantes:

•1. lire en mémoire (MP) l’instruction à exécuter ;•2. effectuer le traitement correspondant ;•3. passer à l’instruction suivante.


Le microprocesseur

Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour que l’ensemble du processeur puisse tenir sur un seul circuit intégré

MIPS : le nombre de millions d’instructions complétées par le microprocesseur en une seconde.


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L'unité arithmétique et logique

L'unité arithmétique et logique, abrégée UAL, est l'organe de l'ordinateur chargé d'effectuer les calculs. Elle est incluse dans le microprocesseur.

les données à traiter

l'opération à effectuer

le résultat de l'opération

les drapeaux (erreur,..)

Elle exécute les calculs arithmétiques (ex : addition) et logique (ex : comparaison).


La mémoire - Structure

La mémoire est divisée enemplacements mémoire de taille fixe(d’un octet) pour stocker instructionset données.Dans une mémoire de taille N, on a Nemplacements mémoires, numérotésde 0 à N - 1. Chaque emplacement estrepéré par son numéro, appeléadresse. L’adresse est le plus souventécrite en hexadécimal.La capacité (taille) de la mémoire estle nombre d’emplacements, expriméen général en kilo-octets ou en méga-octets.

Dispositif capable d'enregistrer, de conserver et de restituer des données


Opérations sur la mémoire

Seul le processeur peut modifier l’état de la mémoire.Chaque emplacement mémoire conserve les informations que le processeur y écrit jusqu’à coupure de l’alimentation électrique, où tout le contenu est perdu (contrairement au contenu des mémoires externes comme les disquettes et disques durs).Les seules opérations possibles sur la mémoire sont :

écriture d’un emplacement : le processeur donne une valeur et une adresse, et la mémoire range la valeur à l’emplacement indiqué par l’adresse ;lecture d’un emplacement : le processeur demande à la mémoire la valeur contenue à l’adresse. Le contenu de l’emplacement lu reste inchangé.


Presser 2 La donnée parvientau microprocesseur grâce au busmémoire et est stocké dans leRegistre instruction, où il lui estattribué un code 2 = X , puisenvoyé au Décodeur pourtraitement.

Exécution des instructions


Dans le décodeur l'instruction "2 = X" est décodée en binaire et envoyée à l'unité de contrôle puis mise dans le Registre données à une adresse .

il attend d'autres commandes



Lorsque vous appuyez sur 3, Similaire à "2 = X", stockée dans le tampon des Instructionoù il lui est attribué le code "3 = Y" , puis décodée en binaire et envoyée à l'unité de contrôlepuis mise dans le tampon des données à une adresse .

il attend d'autres commandes



Lorsque vous appuyez sur la touche "+" , c'est une nouvelle instruction, le signe "+" est stocké à une adresse dans tampon instruction comme un code "X + Y = Z " puis stockée dans le tampon d'instructions et envoyée au décodeur. Dans le Décodeur, "X + Y = Z" est traduite ou décodée et envoyé à la fois à l'unité de contrôle et au tampon de données pour exécuter la fonction ADD de l’Unité Arithmétique et Logique



Dans l'unité de contrôle, le code est rompu et la commande ADD est envoyée à l'UAL, où "X" et "Y" sont ajoutés les uns après qu'ils ont été envoyés à partir des données de cache. UAL envoie le "5" pour être stockés dans un emplacement de l'adresse registres



Lorsque vous appuyez sur la touche "=" , l'instruction pour "=" entre dans le microprocesseur par le Bus mémoireet est stocké dans le tampon Instruction sous le code "Imprimer Z." puis envoie au Décodeur . Dans le Décodeur, l'instruction "Imprimer Z" est traduite ou décodée en binaire puis envoyée à l'unité de contrôle.

Maintenant que la valeur de Z a été calculé, et il est résidant dans le registre entrée du fichier # 5, la commande d'impression ne dispose que de récupérer le contenu de 5 enregistrer et afficher à l'écran.



Instructions Et données

Tampon de données

Unité Arithmétique et

Logique

Registre d’instructions

Code Opération

Adresse Opérande

Tampon d’adresse

Compteur ordinal

Registre accumulateur

Décodeur d’instruction

Unité de contrôle

Bus interne de données et d’instructions

Bus externe de données et

d’instructions

Bus interne d’adresses

Bus externe d’adresse

Horloge Bus externe de contrôle

Signaux de contrôle


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Les mémoires - Définition

Dispositif capable d'enregistrer, de conserver et de restituer des données

Munis de circuits • d'entrée pour introduire les données à enregistrer • de stockage pour conserver les données

• mémorisation permanente (une seule écriture puis lectures multiples) • à mémorisation temporaire (lecture / écriture à volonté) • à mémorisation volatile (nécessite un renouvellement régulier des données dans les cellules mémoires)

• de sortie pour accéder aux données enregistrées


Différents types de mémoire

Mémoires

Mémoires Vives Mémoires Mortes

RAM Statiques

RAM Dynamiques ROM PROM

EPROM

EAROM


Les mémoires à lecture-Ecriture - Caractéristiques

Caractéristiques d’une mémoire

•La capacité : c’est le nombre total de bits que contient la mémoire. Elle s’exprime aussi souvent en octet.•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.•Volatilité : elle caractérise la permanence des informations dans la mémoire.


Les mémoires à lecture-Ecriture

Elles ne peuvent conserver l'information que temporairement( si elles sont alimentées)

R.A.M : Random Acces Memory (mémoire à accès aléatoire), elles sont aussi appelées mémoires vives. On distingue 2 grandes familles :

• RAM Statique (SRAM): l'information est maintenue tant que l'alimentation est présente. • RAM Dynamique (DRAM) : elle nécessite une opération supplémentaire de " rafraîchissement " pour maintenir l'information présente.

En général les mémoires dynamiques sont utilisées pour la mémoire centrale, alors que les mémoires statiques, plus rapides, pour des mémoires de petite taille comme les caches et les registres.


Historique de quelques DRAM

La DRAM EDO (Extended Data Out, 1995): Les composants de cette mémoire permettent de conserver plus longtemps l'information (33 à 50 Mhz) La DRAM BEDO (Bursted EDO): Permet de gagner beaucoup de temps (66 Mhz)


Historique de quelques DRAM

La Synchronous DRAM (SDRAM, 1997): synchronise sur une horloge (100 Mhz).

La DDR-I ou DDR-SDRAM (Double Data Rate Synchronous DRAM, 2000) : permet de recevoir ou d'envoyer des données lors du front montant et du front descendant de l’horloge. (133 à 200 MHz). Elle est remplacée par la DDR II (200 Mhz )


RAM


Les Mémoires à Lecture seule

les informations sont permanentes et l'utilisateur ne peut que les lires. On trouve dans cette catégorie :

R.O.M. : Read Only Memory (mémoire à lecture seule) elle est programmée une fois pour toutes par le fabricant. P.R.O.M. : Programmable Read Only Memory, mémoire programmable une fois par l'utilisateur E.P.R.O.M. : Programmable Read Only Memory, mémoire à lecture seule reprogrammable plusieurs fois par l'utilisateur après effacement sous un rayonnement ultra violet. E.A.R.O.M. : Electrically Alterable Read Only Memory , mémoire à lecture seule reprogrammable plusieurs fois par l'utilisateur mais effaçable électriquement

Ces mémoires conservent les informations stockées même après coupure de l'alimentation.


E.P.R.O.M

E.A.R.O.M

effacement sous un rayonnement ultra violet

effaçable électriquement


Hiérarchie des mémoires

Mémoires volatilesOn trouve d'abord des mémoires très rapides (les plus chères), en petit nombre, accessibles immédiatement par le processeur. Ce sont les registres. On trouve ensuite le cache. Accessible en quelques cycles d'horloge (1 ou 2 en général) il contient quelques dizaines de milliers de mots. On a ensuite la mémoire principale ou mémoire centrale.On dispose parfois d'une mémoire d'appui ou d'arrière-plan, intermédiaire entre la mémoire centrale et les mémoires auxiliaires.

Mémoire permanente. Les disques magnétiques forment le niveau suivant (mémoires auxiliaires ou mémoires de masse) Le dernier niveau correspond à l'archivage des données (disque optique numérique).


Hiérarchie des mémoires


Contenu du cours



Entrées-Sorties

Les ordinateurs sont utilisés pour traiter et stocker des informations. Nous avons jusqu’ici décrit le fonctionnement du processeur et la mémoire principale. Nous allons maintenant étudier comment un ordinateur peut échanger de l’information avec son environnement; ces échanges d’informations sont nommés entrées/sortiesLe point commun entre tous les périphériques d’entrée est qu’ils convertissent l’information qu’ils récupèrent de l’extérieur en données compréhensibles par l’ordinateur. A l’inverse, les périphériques de sortie décodent l’information fournie par l’ordinateur afin de la rendre utilisable par l’utilisateur.


Les Entrées sorties

Les périphériques sont raccordés à l ’ordinateur par l ’intermédiaire de bus.L ’ordinateur est généralement constitué d ’un châssis supportant la carte mère et divers emplacements (slots) libres sur le bus reliant l ’UC aux périphériques.


Bus

Structure logique d ’un PC

Chaque contrôleur qui pilotent les périphériques et gèrent les accès au busSi un contrôleur lit ou écrit directement en mémoire il fait un Direct Acces Memory (DMA)

Bus


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Les ordinateurs personnels

Écran

Carte mèreCPU (Microprocesseur)

Mémoire vive (RAM)

Cartes de périphériques

Alimentation

Lecteur de disques (CD)

Disque dur

SourisClavier


Ordinateur personnel

Ordinateur personnelCarte mèreCarte graphiqueCarte sonCarte réseauCarte mémoireAlimentationLecteur CDDisque DurClavierSouris


Carte mère

La carte mère (motherboard) est un circuit imprimé servant à interconnecter toutes les composantes d'un micro-ordinateur le système nerveux du micro-ordinateur.


Éléments d’une carte mère


Carte mère


Carte graphique

Une carte graphique ou carte vidéo est une carte d'extension d'ordinateur dont le rôle est de produire une image affichable sur un moniteur d'ordinateur.


Carte de traitement sonore

Une carte de traitement sonore est une carte d'extension d'ordinateur. La principale fonction de cette carte est de gérer toute la partie « audible » de l'ordinateur : musique, bruitages, voix, etc.


Carte réseau

Une carte réseau est une carte d'extension d'ordinateur. Elle assure le rattachement d'un équipement informatique à un ensemble d'autres ressources connectées sur le même réseau.


Carte mémoire

Une carte mémoire est une unité de stockage de données numériques ( les appareils photo numériques, de jeux vidéo, musique MP3 , données,..)

Secure Digital

Memorystick

Elle est aujourd'hui (2007) la carte mémoire la plus répandue et offre une capacité maximale de 2 Go . Bientôt, une nouvelle version SDHC 2.0 permet une capacité de 32 Go.

XD-Picture Card


La carte PCMCIA

PCMCIA (pour Personal Computer Memory Card International Association), ou PC Card, est un format de carte d'extension ultra-plat, dédié aux ordinateurs portables


Alimentation électrique

Appareil destiné à fournir de l'électricité, avec des caractéristiques en courant, tension et, fréquence spécifiques


Lecteur de CD

Le lecteur de CD est un lecteur de disque optique qui lit au moyen d'une diode laser les disques optiques appelés disques compacts (ou CD), qu'il s'agisse de CD audio ou de CD-ROM informatiques.

Le DVD-Rom ressemble comme deux gouttes d'eau au CD-ROM, mais il bénéficie d'une densité d'écriture nettement supérieure


Disque dur

Le disque dur ou Hard Disk Drive est une mémoire de masse magnétique.

Exemple : 63 cylindres * 255 têtes * 10 011 secteurs * 512 octets/secteur = 82 343 278 080 octets soit 76,688 Gio (ou 82,343 Go).


Clavier d'ordinateur

Un clavier d'ordinateur est un périphérique permettant à un utilisateur d'entrer dans l'ordinateur du texte et des caractères, ainsi que de lui communiquer des instructions.Existent notamment des claviers AZERTY, QWERTY, français, belge, espagnol, États-Unis, 102 touches


Souris (informatique)

Une souris est un dispositif de pointage relatif manuel pour ordinateur ; a été inventée en 1963


Où trouve-t-on des systèmes à microprocesseur

Ordinateur, PDAconsole de jeuxcalculatricetélévisiontéléphone portabledistributeur automatique d’argentrobotiquelecteur carte à puce, code barreautomobileinstrumentationetc…

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