Introduction à l’architecture des ordinateurs
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Le document présente une introduction à l'architecture des ordinateurs, abordant des concepts tels que les composants essentiels (microprocesseur, mémoire, périphériques) et les systèmes de bus pour la communication interne. Il retrace l'évolution historique de l'ordinateur, en commençant par les outils de calcul anciens jusqu'à l'architecture de Von Neumann. La problématique centrale est l'optimisation du traitement et de la communication des données, avec des solutions apportées par la conception d'ordinateurs modernes.
Introduction à l’architecture des ordinateurs
- 1. Introduction à l’architecture des ordinateurs M. DIENG Abdoulaye Novembre 2014
- 2. Objectif général Avoir un aperçu général de l’architecture d’un ordinateur
- 3. Sommaire 1. Informatique 2. Historique de l’ordinateur 3. Ordinateur 4. Bus 5. Mémoire principale 6. Microprocesseur 7. Périphériques d’entrée-sortie
- 4. Informatique problématique Problème Solution
- 5. Informatique présentation • Pb : l’Homme perd bcp de temps et commet bcp d’erreurs lorsqu’il traite certaines données • Sol : automatisation du traitement des données • L'informatique (information automatique) = science du traitement de l'information à l’aide d’un ordinateur. • Initialement réservée au calcul scientifique, maintenant s'applique à plusieurs domaines (bureautique, jeux, communication, graphisme, cinéma, médecine, robotique, etc.)
- 6. Historique préhistoire au 17ème siècle : outils de calcul • Pb : l’Homme perd bcp de temps et commet bcp d’erreurs lorsqu’il effectue certains calculs • Préhistoire : doigts (syst décimal) ou cailloux (calculus en latin) • Antiquité : boulier, abaque • 17ème siècle : 1642, Pascal : machine faisant des additions et soustractions de 6 chiffres (la Pascaline)
- 7. Historique 18ème et 19ème siècles : automatisation des calculs • 1728, Falcon puis 1805, Jacquard : utilisent des cartes perforées pour commander un métier à tisser • 1834, Babbage : utilise les cartes perforées (instructions et données) pour des machines à calculer
- 8. Historique 20ème siècle : ordinateur mécanique • 1938, Shannon : liens entre nombres binaires, algèbre de Boole et les signaux électriques • 1941, Zuse : Z3, calculateur utilisant une technologie électro-mécanique
- 9. Historique 1944: 1er ordinateur électronique (ENIAC) • Eckert & Mauchly : ENIAC (Electronical Numerical Integrator And Calculator) • 1er ordinateur électronique (tubes à vide et relais) • Machine reprogrammable manuellement • La reprogrammation nécessite de reconnecter 6000 commutateurs • 30 tonnes, forme de U de 6 mètres de large et 12 de long
- 10. Historique 1945 : modèle de Von Neumann • Pb : Le programme peut prendre des décisions selon des résultats intermédiaires • Sol : stocker le programme dans la mémoire de l'ordinateur • 1945 : John Von Neumann définit l'architecture générale d'un ordinateur avec ces composants : – Unité arithmétique et logique : effectuer les opérations – Unité de commande : contrôler les opérations – Mémoire centrale : stocker données et programme – Interface d'entrées/sorties : communiquer avec l’extérieur • Ces différents organes étant reliés par des bus. Quiz
- 11. Ordinateur présentation • Ordinateur = appareil électronique qui applique des instructions prédéfinies sur des données. • Les données à manipuler sont obtenues, soit par la lecture de mémoires, soit par la lecture de périphériques qui représentent des données physiques extérieures en valeurs binaires (déplacement d'une souris, touche appuyée sur un clavier, température, vitesse, …). • Une fois traitées, les données sont réécrites, soit dans des mémoires, soit dans des composants qui peuvent transformer une valeur binaire en une action physique (écriture sur une imprimante ou sur un moniteur, accélération ou freinage d'un véhicule, changement de température d'un four, …).
- 12. Ordinateur schéma des blocs fonctionnels
- 13. Ordinateur présentation des blocs fonctionnels • Le microprocesseur : traitement de l'information par l’exécution d’instructions sur des données. • La mémoire : stockage des instructions et des données. • Les périphériques d'entrée/sortie : interaction avec l'extérieur. • Les bus : interconnexion optimale des blocs.
- 14. Bus problématique C 1 C 2 C 3 C 5 C 8 C 4 C 6 C 7 C 1 C 2 C 4 C 6 C 8 C 3 C 5 C 7 B U S Problème Solution
- 15. Bus présentation Pb : optimiser l’échange de données entre les composants Sol : mutualiser les voies de communication Bus = système de câblage permettant la circulation des données (signaux électriques) entre les composants (mémoires, μP, périphériques, etc.). Objectif : réduire le nombre de « voies » nécessaires à la communication des différents composants, en mutualisant les voies de données. L’une des principales caractéristiques d’un bus est son débit : le nombre de bits qui y transitent par seconde. Exemples : Front Side Bus (processeur ), Bus mémoire, Bus PCI-Express (cartes graphiques ou cartes sons), Bus USB (plusieurs périphériques), Bus S-ATA (disque dur, lecteur CD)
- 16. Bus composition • Lignes de contrôle : – contrôler l'accès et l'utilisation des autres lignes (adr et données). – exemples : requête bus, accord bus, lecture, écriture, requête d’interruption, … • Lignes d’adresse : – désigne la source ou la destination des données – exemples : • adresse d’une donnée en mémoire • adresse associée à un périphérique • Lignes de données : – transfert de données entre les éléments
- 17. Bus chipset • Pb : les bus ont des débits très différents • Sol : créer des « carrefours intelligents » • Chipset = ensemble de puces électroniques chargé d’interconnecter intelligemment les différents bus. • Le chipset se divise en deux parties: – Le NorthBridge pour les bus à haut débit. – Le SouthBridge pour les bus à faible débit.
- 18. Bus schéma μP Northbridge Bus interne (2Go/s) Mémoire vive (64bits,66/133/200Mhz DDR/QDR) Bus mémoire carte graphique Bus AGP ou PCI Ex16 (32bits,66Mhz ou 4Go/s) Southbridge DD/CD/DVD Bus SATA (150Mo/s) Ports USB Bus USB (60Mo/s) Front side bus cartes PCI express (64bits,66/133/200Mhz) Bus PCI Express (250Mo/s à 2Go/s) Carte réseau Bus PCI (32/64bits 66/133Mhz) PS2/série/parallèle cartes PCI Quiz
- 19. Mémoire principale présentation • Pb 1 : effectuer un calcul nécessitant des traitements intermédiaires • Sol : dispositif qui mémorise les traitements intermédiaires • Pb 2 : le programme peut prendre des décisions selon des résultats intermédiaires. Exemple : si delta<0 alors « pas de solution » • Sol : placer le programme à proximité des traitements intermédiaires • Mémoire = dispositif capable d'enregistrer une information (donnée ou instruction), de la conserver (mémoriser) et de la restituer. • Mémoire principale : mémoriser temporairement les données et les programmes en cours d'exécution. • Exemples : « mémoire RAM », mémoire cache, registre.
- 20. • Bus d’adresses qui véhicule l’adresse du mot mémoire à lire ou à modifier • Décodeur d’adresses : permet de sélectionner un mot mémoire. • Bus de contrôle véhicule les commandes provenant de l’unité centrale • Matrice des points mémoires • Tampon E/S : stockage des infos à lire ou à écrire • Bus de données véhicule l’information lue à partir de la mémoire ou l’information à écrire dans la mémoire Bus d’adresse Bus de données D E C O D E U R Tampon d’E/S Mémoire principale structure Bus de contrôle Quiz
- 21. Microprocesseur présentation • Le processeur est le composant qui calcule, transforme et interprète les informations sur les ordres de l'utilisateur. • Il est cadencé au rythme d’une horloge interne (cristal au quartz soumis à un courant électrique) qui envoie des impulsions que l’on appelle "tops". • La fréquence ou nombre de tops par seconde est exprimé en Hertz et de nos jours en GigaHertz. Pour exemple un processeur cadencé à 1Ghz effectue 1 milliard d’opérations à la seconde. • Il existe principalement deux marques de processeurs : Intel (Pentium et Celeron ) et AMD (Athlon et Duron ).
- 22. Microprocesseur schéma des composants de base instruction1 instruction2 … donnée1 donnée2 … D é c o d e u r
- 23. Microprocesseur composants de base Les principaux éléments d'un microprocesseur sont les suivants : • Une unité de mémoire cache qui contient les instructions et données les plus fréquemment utilisées. • Une unité de commande (ou unité d’instruction) qui lit les instructions, les décode puis les envoie à l'unité d'exécution ; • Une unité d'exécution (ou unité de traitement), qui accomplit les tâches que lui a données l'unité d'instruction ; • Une unité de gestion des bus (ou unité d'entrées-sorties), qui gère les flux d'informations entrant et sortant, en interface avec la mémoire principale du système.
- 24. Périphériques d’entrée-sortie présentation • Pb : comment l’ordi communique avec son environnement ? • Sol : composants permettant l’entrée et la sortie de données • Périphérique = matériel électronique pouvant être raccordé à un ordinateur par l'intermédiaire de l'une de ses interfaces d'entrée-sortie , le plus souvent par l'intermédiaire d'un connecteur. • On distingue habituellement : – périphériques d'entrée : permettent uniquement d'envoyer des infos (donnée ou instruction) à l'ordi (souris, clavier, etc.) – périphériques de sortie: permettent à l’ordinateur d’émettre des infos vers l’extérieur (écran, imprimante, ...) – périphériques d’entrée-sortie : permettent des communications bidirectionnelles (modem, écran tactile, ...) – périphériques de stockage : permettent le stockage des infos d’une manière permanente (disque dur, CD, ...)
- 26. La carte mère d’un PC