II. L'architecture matérielle des ordinateurs¶

Cours¶

A. Les circuits¶

Un ordinateur fonctionne avec des 0 et des 1, qu'il faut représenter physiquement. Les ordinateurs étaient équipés de tubes à vide (tous deux sont des composants électroniques), avant d'être remplacés par des transistors. Ce sont de très petits composants électroniques, permettant de faire passer ou de bloquer un courant, qui ont permis de miniaturiser les machines. Le passage d'un courant représente le 1, alors que l'absence de courant représente le 0.

Les transistors peuvent aujourd'hui être aussi petit que 10 nanomètres, on ne les distingue pas à l'oeil nu. Ils sont agencés les uns à côté des autres et reliés sur des circuits intégrés. Les circuits les plus simples sont les circuits logiques, faits à partir de portes logiques qui permettent de réaliser des opérations booléennes.

En combinant des circuits logiques, on parvient à fabriquer les circuits essentiels au fonctionnement de l'ordinateur faisant de plus grands calculs, comme la mémoire et le processeur.

B. Les principaux composants de l'ordinateur¶

B.1. La mémoire¶

Il existe différents types de mémoires. Globalement, on regroupe :

La mémoire vive ou RAM (Random Access Memory) : Elle peut se représenter comme des tableaux d’octets, chacun identifié par une adresse. A cause des composants électroniques utilisés, il faut une alimentation électrique pour conserver les données. C’est pour cela que la mémoire vive est volatile : les données sont perdues en cas de coupure de courant. Elle permet d’accéder aux données en lecture et en écriture avec une vitesse relativement rapide.
la mémoire morte ou ROM (Read-Only Memory) : Elle sert à stocker les programmes qui ne doivent pas être modifés et n'est donc accessible qu'en lecture. Elle contient le nécessaire pour faire démarrer un ordinateur, et est non-volatile.
La mémoire de masse : C'est une mémoire non-volatile, à laquelle on peut accéder en lecture et en écriture. Elle permet de stocker une grande quantité de données, mais n'y accède pas rapidement. Ce sont les disques durs SSD ou HDD ou bien les clés USB par exemple.

Plus on s'éloigne du processeur, plus la capacité de la mémoire utilisée augmente et plus le temps d'accès aux données s'allonge.

B.2. Le processeur¶

Les instructions des programmes sont exécutées par le processeur ou CPU (Central Processing Unit) en anglais. Il est qualifié de microprocesseur lorsque tous ses composants sont suffisamment petits pour être regroupés dans un même boîtier.

Il est constitué de 3 parties :
- les registres qui correspondent à une petite quantité de mémoire. Leur nombre et taille varient en fonction du type de CPU. Ils sont typiquement nommés R1, R2, R3,...
- l’Unité Arithmétique et Logique (UAL ou ALU en anglais), qui est chargée de l’exécution des calculs. Elle est composée de circuits comme l’additionneur de la partie précédente.
- l’unité de commande/de contrôle qui coordonne l’exécution de toutes les opérations.

Le rythme auquel les instructions sont traitées dépend de la fréquence de l'horloge du processeur. Une seule instruction peut être traitée à chaque cycle, donc pour aller plus vite, il faut une grande fréquence.

C. Les architectures¶

C.1. L'architecture de von Neumann¶

La plupart des ordinateurs utilisés aujourd'hui sont basés sur l'architecture de von Neumann, élaborée en 1945. Il s'agit de la première architecture stockant au même endroit les données et les programmes : dans la mémoire vive.

Elle est constituée :
- d'une mémoire, correspondant à de la RAM, contenant programme et données,
- d'une UAL avec des registres comme un accumulateur,
- d'une unité de commande,
- d'un système d’entrées-sorties.

Les entrées et sorties permettent à l’ordinateur d’interagir avec l’extérieur. Chaque périphérique est régi par un contrôleur (un ensemble de composants électroniques) adapté, permettant d’encoder et de décoder les données envoyées et reçues. Un périphérique d'entrée (comme une souris) permet d'obtenir des informations, alors qu'un périphérique de sortie (comme un écran) permet d'envoyer des informations vers l'extérieur.

C.2. Connecter les composants¶

Les données circulent entre les composants de l’ordinateur (principalement entre le processeur et la mémoire) grâce à des bus. Il en existe 3 grands types :
- les bus d’adresse, transportant les adresses des cases mémoires auxquelles on veut accéder,
- les bus de données, transportant les données en elles-mêmes,
- les bus de commande/contrôle synchronisant l’ensemble (en indiquant le type d’actions à exécuter, comme la lecture ou l’écriture d’une donnée en mémoire).

Les différents composants décrits dans les parties précédentes, ainsi que d’autres qui améliorent les ordinateurs d’aujourd’hui, ont besoin d’être interconnectés de manière fiable : ils sont regroupés sur une carte mère. Elle intègre :

le processeur,
les barrettes de mémoire RAM,
le(s) disque(s) dur(s),
les ports d’entrée-sortie,
les différents périphériques (lecteurs DVD, carte mémoire,...),
la carte réseau,
la carte graphique,
l’alimentation,
les systèmes de refroidissement.

C.2. Les architectures multiprocesseurs¶

L’architecture décrite précédemment est une architecture monoprocesseur : ne comportant qu’un processeur.

Pour augmenter la puissance des ordinateurs, on a misé pendant longtemps sur l’augmentation de leur fréquence d’horloge. Celle-ci est cependant devenue de plus en plus difficile, comme illustré sur la figure ci-contre, à cause d’un problème de surchauffe.

L’idée a depuis été d’utiliser plusieurs processeurs dans un seul ordinateur : on parle d’ordinateur multiprocesseur. Cela crée des problèmes de partage de la mémoire, pour lesquels il a fallu établir des statégies. On utilise de la mémoire cache, d’accès très rapide, soit partagée pour les différents processeurs, soit dédiée à chacun. Il faut de plus adapter les programmes à l'architecture.

Aujourd’hui, on ne se contente en fait pas de multiplier les processeurs, on utilise également des processeurs ayant plusieurs coeurs (architecture multicoeur) : plusieurs unités de traitement indépendantes.

Questionnaire sur le cours¶

A. Les circuits¶

Ranger du plus petit au plus grand les éléments suivants : processeur, porte logique, transistor, additionneur.

B. Les principaux composants de l'ordinateur¶

B.1. La mémoire¶

Par quelles caractéristiques différencie-t-on les différents types de mémoires ? Faire un schéma (de type carte mentale) avec ces caractéristiques et les types de mémoires associés.
Dans quel type de mémoire faut-il stocker :
- Les données en cours d'utilisation du programme :
- Des photos de vacances :
- Le BIOS ou UEFI :

B.2. Le processeur¶

Relever les différents composants d'un processeur et leur fonction.
Représenter des cycles d'horloge d'un processeur et indiquer à quel moment de nouvelles opérations sont faites.
Rechercher l'ordre de grandeur en Hz de la fréquence des processeurs actuels.

C. Les architectures¶

C.1. L'architecture de von Neumann¶

Quelle est l'idée nouvelle de John Von Neumann lorsqu'il propose son architecture ?
Que faut-il donc ajouter aux principaux composants de l'ordinateur pour avoir une machine utilisable ?
Les périphériques suivants sont-ils des entrées, des sorties, ou bien les deux ?

Composant Entrée Sortie

Clavier

Imprimante

Scanner

Disque

Souris

Ecran

C.2. Connecter les composants¶

Expliquer comment les différents composants d'un ordinateurs sont connectés.
Compléter le schéma suivant avec des flèches représentant les différents types de bus, permettant la communication entre les composants.

C.3. Les architectures multiprocesseurs¶

Sur quel paramètre peut-on jouer pour augmenter la puissance des ordinateurs, sans toucher aux processeurs ?
Pourquoi alors augmenter le nombre de processeurs ?
A quel problème faut-il alors penser ?

TD : Etude du Raspberry Pi¶

> Diaporama <

A. Présentation¶

B. Identification des composants¶

Quels sont les composants essentiels qu'il faut rechercher ?
Les identifier sur le schéma.
Comment compléter l'architecture de von Neumann ?
Identifier ces composants sur le schéma.

TP : Programmer au plus près de la machine¶

La machine comprend un langage qui n'est constitué que de 0 et de 1, ce qui ne nous est pas facile à manipuler... Pour le faire, les langages assembleur ont été développés. Ils sont proches du fonctionnement de la machine, mais utilisent des instructions qui nous sont plus compréhensibles.

Nous allons manipuler un de ces langages avec le simulateur suivant : http://www.peterhigginson.co.uk/AQA/

On retrouve les principaux composants de l'ordinateur. Identifier les différentes parties du processeur.
Nous allons utiliser l'éditeur situé à gauche, permettant de faire de l'assembleur. Saisir les lignes suivantes :
Code
```
MOV R0,#42
STR R0,150
HALT
```
Cliquer sur le bouton "Submit".

Vous allez voir des nombres apparaître dans la mémoire :

Le programme a été stocké dans la mémoire, en attendant d'être exécuté. Il a été stocké sous la forme de 3 instructions machine correspondant aux 3 lignes du programme, dans 3 cases de la mémoire. Pour voir à quoi ressemblent les instructions sous la forme de 0 et de 1, cliquer sur "OPTIONS" et "binary".

Revenir à l'affichage en décimal avec "OPTIONS" > "signed".
Pour exécuter le programme chargé en mémoire, cliquer sur le bouton "RUN". Pour aller plus ou moins vite, utiliser les boutons >> et <<.
- Que fait le programme (c'est-à-dire qu'est-ce qui a été modifié ?) ?
- En déduire ce que font les instructions MOV ("move") et STR ("store").
- Qu'y a-t-il dans le registre PC ?
N.B.: Pour relancer la simulation en repartant de zéro, il faut cliquer sur "RESET" et sur "OPTIONS" > "clear memory". Cela réinitialisera le contenu des registres et de la mémoire. Il faut ensuite cliquer sur "ASSEMBLE" avant de relancer.
Modifiez le programme précédent pour qu'à la fin de l'exécution on trouve le nombre 54 à l'adresse mémoire 50. On utilisera le registre R1 à la place de R0. Testez vos modifications en exécutant la simulation.
Rechercher ce que font les instructions CMP et BNE en langage assembleur.

a. Saisir le programme suivant :

Code

    MOV R0, #4
    STR R0,30
    MOV R0, #8
    STR R0,75
    LDR R0,30
    CMP R0, #10
    BNE else
    MOV R0, #9
    STR R0,75
    B endif
else:
    LDR R0,30
    ADD R0, R0, #1
    STR R0,30
endif:
    MOV R0, #6
    STR R0,23
    HALT

b. Identifier ce que font les différentes parties du programme, et donner son équivalent en Python.

`Composant`	`Entrée`	`Sortie`
Clavier
Imprimante
Scanner
Disque
Souris
Ecran