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Lycée Brizeux – 2015/2016 ARCHITECTURE DE L’ORDINATEUR Mathématiques – PCSI B

CHAPITRE 1

ARCHITECTURE DE L’ORDINATEUR

1 Qu’est-ce qu’un ordinateur ?

1.1 Définition et historique

Plusieurs machines ont précédés les ordinateurs :

Machines à calculer : une seule tâche, pas de programmation (ex : la pascaline de Blaise Pascal, 1645)

Machines programmables : une seule tâche, mais on peut la programmer par un programme externe,par exemple des cartes perforées (orgue de Barbarie, métier à tisser de Jacquard)

Machine de Charles Babbage : inventée en 1837, mais non construite. Fonctionne avec des cartes per-forées. Première notion de mémoire. En 1843, Ada Lovelace écrit le premier programme informa-tique, prévu pour cette machine.

DÉFINITION DU MOT ORDINATEUR :

Machine automatique de traitement de l’information obéissant à des pro-grammes formés par des suites d’opérations arithmétiques et logiques.

La seconde guerre mondiale sera la principale motivation pour développer l’automatisation du trai-tement de données (décodage de messages, calculs balistiques).

En 1946, le premier ordinateur électronique, l’ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Compu-ter) fait son apparition. Il a été commandé par l’armée américaine pour effectuer des calculs balistiques.L’invention du transistor (1947), du circuit intégré (1958) puis du micro-processeur (1971) va permettrede réaliser des machines plus fiables, moins coûteuses et plus petites. Les premiers ordinateurs person-nels voient le jours à la fin des années 1970.

Codage binaireVers la fin des années 1930, Claude Shannon démontra qu’à l’aide de « contacteurs » (interrupteurs)fermés et ouverts, il était possible d’effectuer des opérations logiques en associant le nombre 1 pour« vrai » (le courant passe) et 0 pour « faux » (le courant ne passe pas) : c’est le codage binaire.Une information élémentaire , valant 0 ou 1, est appelée booléen ou bit (binary digit). Le regroupementde base est l’octet (en anglais : « byte »). Il contient 8 bits.

À propos des unitésTraditionnellement les préfixes « kilo », « mega » et « giga » représentent des puissances de 10 (ex : 1 kg =1000 g) . En informatique, ils représentent des puissances de 2. Ainsi : un kilooctet représente 210 octets=1024 octets et non pas 1000 octets. (210 est la puissance de 2 qui s’approche le plus de 1000 = 103) Unmégaoctet représente 220 octets, soit 1048576 octets.

1.2 Traitement de l’information

Le traitement de l’information s’articule autour de quatre tâches :— la saisie de l’information : il s’agit de recevoir une information venant "de l’extérieur", et la conver-

tir sous une forme exploitable par le système ;— la conservation de l’information ;— le traitement de l’information, à proprement parler ;— la sortie des résultats, sous une forme correspondant à ce qu’attend l’utilisateur

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2 Structure matérielle d’un ordinateur

Que voit-on quand on regarde un ordinateur ?

Des périphériques externes :entrée : clavier, souris, webcam, micro, scanner,...sortie : écran, imprimante, enceintes,...

L’unité centrale (tour) :

S’y trouvent :• l’alimentation, qui fournit à chaque composant de l’ordinateur une tension permettant son bon

fonctionnement ;• le disque dur qui constitue la "mémoire" de l’ordinateur, sur laquelle on enregistre les données ;• la carte mère, c’est-à-dire le support de montage de circuits électroniques regroupant et inter-

connectant tous les composants de l’ordinateur. En contient, entre autre, le processeur, qui est, enquelque sorte, le "cerveau" de l’ordinateur, puisqu’il exécute les instructions des programmes ;

• les lecteurs / graveurs, qui permettent de lire un CD-ROM, un DVD-ROM ou un Blu-Ray, voire(dans le cas des graveurs) d’écrire des données sur un CD ou DVD ;

• la carte son, qui est parfois intégrée à la carte mère, et permet de brancher des haut-parleurs etun micro ;

• la carte graphique, qui permet l’affichage sur l’écran.• un ou plusieurs ventilateurs, pour évacuer l’air chaud et préserver les composants ;• des ports externes, pour communiquer avec l’extérieur.

La carte mèreC’est l’élément central de l’architecture d’un ordinateur. Elle accueille :

1. Le processeur, dans un emplacement appelé socket ;

2. La mémoire vive, sous forme de barrettes enfichées sur des slots dédiés à la RAM ;

3. Connecteurs de disque dur SATA , lecteur de CD/DVD ROM,

4. La pile, permet notamment d’alimenter l’horloge de votre ordinateur, quand il est éteint, et conser-ver certains paramètres du BIOS.

5. Des slots PCI (Peripheral Component Interconnect) et/ou PCI express (et parfois de versions anté-rieures (ISA, ...), destinés à accueillir divers types de cartes dédiées à certaines fonctions (carte son,carte graphique, carte réseau,...), quand non directement intégreées à la carte mère (ou disposantde caratéristiques supplémentaires)

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6. un (ou plusieurs) Chipset(s) (c’est-à-dire – littéralement – jeu de puces) : il s’agit d’un jeu de com-posants électroniques permettant de gérer les flux de données numériques entre le processeur, lamémoire et les périphériques.

7. Des ports externes (USB 2,0/3,0, VGA, HDMI, RJ45, lecteurs de carte SD, ...) permettant de relierl’unité centrale le l’ordinateur au clavier, à l’écran, à la connexion internet, etc.

3 L’architecture Von Neumann

Reste à savoir comment la communication s’établit entre ces différents composants et de quellefaçon se structure le fonctionnement de l’ordinateur.

Pour pouvoir exécuter un programme donné, un ordinateur est bâti autour d’un modèle architectu-ral théorique : l’architecture de Von Neumann 1. Dans ce cadre, un ordinateur se décompose en quatreparties :

1. Une mémoire principale : c’est-à-dire un organe qui permet l’enregistrement, la conservation etla restitution de données, lesquelles peuvent servir à indiquer à l’ordinateur ce qu’il doit faire(instructions) ou contenir des données à traiter.

2. Une unité centrale de traitement, qui est responsable de l’exécution du programme et qu’on peutconceptuellement décomposer en :• une unité de calcul arithmétique et logique (UAL) ou unité de traitement dont le rôle est d’ef-

fectuer les opérations de base (un peu comme le ferait une calculette) ;• une unité de contrôle (UC), qui prend ses instruction dans la mémoire vive, et les transmet à

l’UAL (c’est l’équivalent des doigts qui actionneraient la calculette) ;

1. John Von Neumann (Budapest, 28/12/1903 – Washington, D.C., 08/02/1957) fut le rapporteur des travaux de constructiondu premier ordinateur, en 1945. A quelques variations près, la quasi-totalité des ordinateurs modernes utilise l’architecture decette machine.

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3. des composants dits périphériques : il s’agit des organes d’entrée-sortie de l’ordinateur (moniteur,enceintes, clavier, souris, imprimante...), c’est-à-dire les dispositifs permettant à l’ordinateur decommuniquer avec l’extérieur ;

4. un canal de communication entre la mémoire, le processeur et les périphériques, appelé le bus,composé d’un ensemble de fils électriques.

3.1 La mémoire

La mémoire vive

La mémoire vive est ce qu’on appelle parfois la mémoire RAM, pour Random Access Memory, c’est-à-dire mémoire à accès aléatoire : les données qui y figurent peuvent être lues ou modifiées au gré del’utilisateur lors de l’exécution du programme.

Les mémoires vives que l’on trouve actuellement dans le commerce pour les ordinateurs de bureauont une capacité de l’ordre de quelques Giga-octets.

D’autres mémoires

Dans les faits, un ordinateur ne se limite pas à l’architecture de Von Neumann décrite précédem-ment. En effet, les mémoires vives qu’on sait aujourd’hui construire pour un coût raisonnable ont be-soin d’une alimentation électrique permanente pour garder leurs données. On dit que cette mémoireest volatile pour signifier qu’elle perd son contenu en cas de coupure de courant. Or on veut que lesdonnées et programmes contenus dans un ordinateur puissent être conservées malgré l’extinction de lamachine.

Pour résoudre ce problème, on dispose des possibilités suivantes :

1. La mémoire morte, aussi appelée mémoire ROM (Read Only Memory, c’est-à-dire mémoire en lec-ture seule) : il s’agit d’une mémoire offrant un accès en lecture, mais pas d’accès en écriture. Sagrosse différence avec la mémoire vive est que son contenu perdure malgré l’absence d’alimen-tation. Elle sera donc, par exemple, très utile pour stocker les programmes et informations dedémarrage (le BIOS, par exemple).

2. La mémoire de masse : il s’agit d’un périphérique, le plus souvent un disque dur, qui permet destocker une grande quantité de données (en lecture et en écriture), de manière non volatile. Lacapacité des disques durs que l’on trouve actuellement dans les PC est de l’ordre du Tera-octet.

3. La mémoire-cache, qui sert à conserver un court instant des informations fréquemment consul-tées. Les technologies des mémoires-caches visent à accélérer la vitesse des opérations de consul-tation. Elles ont une très grande vitesse, et un coût élevé pour une faible capacité de stockage.

POURQUOI PLUSIEURS TYPES DE MÉMOIRES ?Les avantages et inconvénients d’une mémoire vive comparée à une mémoire morte sont simples

à cerner : la première contient des données facilement modifiables, tandis que la seconde n’est pasvolatile.

D’autre part, une mémoire vive contient généralement une quantité de données largement plus pe-tite qu’une mémoire de masse, mais le temps de lecture des données d’une mémoire de masse est envi-ron mille fois plus lent que pour celles de la mémoire vive.

En clair, la taille de la mémoire vive donne une indication sur la rapidité d’exécution d’une tâchepar l’ordinateur, tandis que la capacité du disque dur précise la quantité de données que l’on peut yconserver.

3.2 L’unité centrale de traitement

L’unité centrale de traitement (CPU), c’est-à-dire le processeur, est le composant de l’ordinateur quiexécute le programme, en donnant des ordres aux périphériques et à la mémoire.

Les parties essentielles d’un processeur sont :

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• L’UAL, qui traite des informations provenant de la mémoire. Comme celles-ci sont des suites debits, l’UAL est amenée à réaliser, sur ces données, tantôt des opérations arithmétiques élémen-taires (additions, soustractions, etc.), tantôt des opérateurs logiques (ET, OU, NI, etc.), selon lesens qui est donné à chaque séquence de bits traitée. En clair, c’est l’UAL qui effectue les calculsde l’ordinateur.

• L’UC, qui prend ses instructions dans la mémoire et les interprète pour les transmettre à l’UAL.• Une mémoire de petite taille, répartie en registres, dont les données sont plus rapides d’accès que

celles de la mémoire vive. Le nombre de registres dépend du type de processeur et varie entre unedizaine et une centaine ; chaque registre stocke des informations sur 8, 16, 32 ou 64 bits.

• Une horloge interne, qui cadence le rythme de travail du processeur, en envoyant des impulsionsdont la fréquence (exprimée en Hertz) indique le nombre d’opérations effectuées par le proces-seur en une seconde : par exemple, un processeur « cadencé à 2 GHz » effectue environ 2 milliardsd’opérations par seconde.

Remarque. 1. Les performances d’un processeur sont liées à la taille de ses registres, ainsi qu’à larapidité d’exécution des instructions.

2. La rapidité d’exécution des processeurs actuels peut également être optimisée par quelques élé-ments plus complexes, tels que :• plusieurs UAL, ce qui permet de traiter plusieurs instructions en même temps ;• une mémoire cache, servant de tampon entre la mémoire vive et le processeur, et dont le très

faible temps d’accès (plus rapide que la RAM) permet d’accélérer les traitements d’informa-tions.

4 Quand on allume l’ordinateur...

4.1 L’amorce

La procédure de démarrage d’un ordinateur, souvent appelée boot (pour amorce), comporte notam-ment le chargement du programme initial : le BIOS (Basic Input/Output System, c’est-à-dire Système degestion élémentaire des entrées/sorties).

1. Dans un premier temps, il vérifie que la tension fournie par le transformateur est adéquate etstable, dans le but d’éviter tout bris de la carte-mère ou du processeur.

2. Puis il effectue un test (appelé POST, pour "Power-On Self Test") afin de vérifier le bon fonction-nement du matériel présent dans l’ordinateur. Ce test comporte un certain nombre d’opérations,parmi lesquelles :• un test du processeur,• l’initialisation de l’horloge interne,• une vérification de la mémoire vive et de la mémoire cache,• une vérification de toutes les configurations (clavier, disquettes, disques durs ...).

3. Il envoie ensuite vers l’écran des informations décrivant l’état du système, des informations som-maires sur les périphériques amorcés, ainsi que des instructions permettant de communiqueravec le BIOS lui-même (par exemple « press DEL to enter setup »

4. Enfin, il lance le système d’exploitation en usage sur l’ordinateur. Ce dernier prend le relais desopérations.

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4.2 Le système d’exploitation

Le système d’exploitation est là pour organiser ces tâches : c’estun ensemble de programmes qui dirige l’utilisation des capa-cités de l’ordinateur par les différents programmes sollicitéspar l’utilisateur. Il permet à plusieurs usagers et plusieurs pro-grammes de se partager les ressources de l’ordinateur.

Plus précisément, le système d’exploitation gère, entre autres :• L’utilisation des périphériques• L’accès aux fichiers• L’accès aux ressources• L’exécution simultanée de différents programmes• La gestion de l’organisation du disque dur et de ses fi-

chiers

5 Programmation

La programmation consiste à faire exécuter par l’ordinateur les instructions figurant dans un algo-rithme, destiné à résoudre un problème donné.Pour communiquer ces instructions à la machine, on a recours à un langage de programmation per-mettant de transmettre les instructions à l’ordinateur de façon plus intelligible que par des suites de 0et de 1.Le langage (souvent en anglais) est écrit avec une syntaxe particulière qu’il est nécessaire de respecter.Il est ensuite traduit en langage-machine pour que l’ordinateur puisse l’interpréter.Le programmeur écrit des lignes d’instructions dans le langage qu’il a choisi (on parle alors de code) :les étapes suivantes sont automatisées pour permettre à l’ordinateur de les décoder. Il existe un grandnombre de langages de programmation. Celui avec lequel nous serons amenés à travailler s’appelle Py-thon.

Python est un langage de programmation interprété, c’est-à-dire que les instructions que l’utilisateurlui envoie sont « transcrites » en langage machine au fur et à mesure de leur lecture.Il est placé sous une licence libre, multiplateforme et portable.

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