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1 Chapitre 8 : L’architecture de base des ordinateurs • Introduction • Architec

1 Chapitre 8 : L’architecture de base des ordinateurs • Introduction • Architecture de base d’une machine • La Mémoire Centrale • UAL ( unité arithmétique et logique ) • UC ( unité de contrôle ou de commande ) • Jeu d’instructions , Format et codage d’une instruction • Modes d’adressage • Étapes d’exécution d’un instruction 2 Objectifs • Comprendre l’architecture d’une machine von newman. • Comprendre les étapes de déroulement de l’exécution d’une instruction. • Comprendre le principe des différents modes d’adressage. 1. Introduction • Un programme est un ensemble d’instructions exécutées dans un ordre bien déterminé. • Un programme est exécuté par un processeur ( machine ). • Un programme est généralement écrit dans un langage évolué (Pascal, C, VB, Java, etc.). • Les instructions qui constituent un programme peuvent être classifiées en 4 catégories : – Les Instructions d’affectations : permet de faire le transfert des données – Les instructions arithmétiques et logiques. – Les Instructions de branchement ( conditionnelle et inconditionnelle ) – Les Instructions d’entrées sorties. 4 1. Introduction • Pour exécuter un programme par une machine, on passe par les étapes suivantes : 1. Édition : on utilise généralement un éditeur de texte pour écrire un programme et le sauvegarder dans un fichier. 2. Compilation : un compilateur est un programme qui convertit le code source ( programme écrit dans un langage donné ) en un programme écrit dans un langage machine ( binaire ). Une instruction en langage évolué peut être traduite en plusieurs instructions machine. 3. Chargement : charger le programme en langage machine dans mémoire afin de l’exécuter . 5 • Comment s’exécute un programme dans la machine ? • Pour comprendre le mécanisme d’exécution d’un programme il faut comprendre le mécanisme de l’exécution d’une instruction . • Pour comprendre le mécanisme de l’exécution d’une instruction il faut connaître l’architecture de la machine ( processeur ) sur la quelle va s’exécuter cette instruction. 6 2. Architecture matérielle d’une machine ( architecture de Von Neumann ) L’architecture de Von Neumann est composée : • D’une mémoire centrale, • D’une unité centrale UC , CPU (Central Processing Unit), processeur , microprocesseur. •D’un ensemble de dispositifs d’entrées sorties pour communiquer avec l’extérieur. •Cette architecture est la base des architectures des ordinateurs. Mémoire Centrale UC Processeur entrées sorties 7 2.1 La mémoire centrale • La mémoire centrale (MC) représente l’espace de travail de l’ordinateur . • C’est l’organe principal de rangement des informations utilisées par le processeur. • Dans un ordinateur pour exécuter un programme il faut le charger ( copier ) dans la mémoire centrale . • Le temps d’accès à la mémoire centrale et sa capacité sont deux éléments qui influent sur le temps d’exécution d’un programme ( performances d’une machine ). 8 0001100 0001100 0111100 0011100 0001100 FFFF …….. ……. ……. 0002 0001 0000 Une adresse Contenu d’une case (un mot)mémoire •La mémoire centrale peut être vu comme un large vecteur ( tableau ) de mots ou octets. •Un mot mémoire stocke une information sur n bits. •Chaque mot possède sa propre adresse. •La mémoire peut contenir des programmes et les données utilisées par les programmes. Structure d’un programme en MC Partie données ( variables ) Partie instructions …………. ………. } 11100001 11100001 11000001 11100001 11000001 11110000 1111111 1000000 0000000 Addition Soustraction 10 2.2 L’Unité Centrale ( UC) • L’unité centrale (appelée aussi processeur , microprocesseur) à pour rôle d’exécuter les programmes. • L’UC est composée d’une unité arithmétique et logique (UAL) et d’une unité de contrôle. - L’unité arithmétique et logique réalise les opérations élémentaires (addition, soustraction, multiplication, . . .) . - L’unité de commande contrôle les opérations sur la mémoire (lecture/écriture) et les opérations à réaliser par l’UAL selon l’instruction en cours d’exécution. Architecture matérielle d’une machine Von Neumann UC 12 2.2.1 L’UAL • L’unité arithmétique et logique réalise une opération élémentaire (addition, ,soustraction, multiplication, . . .). • L’UAL regroupe les circuits qui assurent les fonctions logiques et arithmétiques de bases ( ET,OU,ADD,SUS,…..). • L’UAL comporte un registre accumulateur ( ACC ) : c’est un registre de travail qui sert a stocker un opérande (données )au début d’une opération et le résultat à la fin. 13 • L’UAL comporte aussi un registre d’état : Ce registre nous indique l’état du déroulement de l’opération . • Ce registre est composé d’un ensemble de bits. Ces bits s’appels indicateurs (drapeaux ou flags). • Ces indicateurs sont mis à jours ( modifiés )après la fin de l’exécution d’une opération dans l’UAL. • Les principeaux indicateurs sont : – Retenue : ce bit est mis à 1 si l’opération génère une retenue. – Signe :ce bit est mis à 1 si l’opération génère un résultat négative. – Débordement :ce bit est mis à 1 s’il y a un débordement. – Zero : ce bit est mis à 1 si le résultat de l’opération est nul. 14 Schéma d’une UAL 15 2.2.2 Unité de contrôle • Le rôle de l'unité de contrôle (ou unité de commande ) est de : – coordonner le travail de toutes les autres unités ( UAL , mémoire,…. ) – et d'assurer la synchronisation de l'ensemble. • Elle assure : – la recherche ( lecture ) de l’instruction et des données à partir de la mémoire, – le décodage de l’instruction et l’exécution de l’instruction en cours – et prépare l’instruction suivante. 16 • L’unité de contrôle comporte : – Un registre instruction (RI) : contient l’instruction en cours d’exécution. Chaque instruction est décoder selon sont code opération grâce à un décodeur. – Un registre qui s’appel compteur ordinal (CO) ou le compteur de programme (CP ) : contient l’adresse de la prochaine instruction à exécuter (pointe vers la prochaine instruction à exécuter ). Initialement il contient l’adresse de le première instruction du programme à exécuter. – Un séquenceur : il organise ( synchronise ) l’exécution des instruction selon le rythme de l’horloge, il génère les signaux nécessaires pour exécuter une instruction. 17 Schéma d’une UC 18 Schéma détaillé d’une machine UC 19 Remarque • Le microprocesseur peut contenir d’autres registres autre que CO,RI et ACC. • Ces registres sont considérés comme une mémoire interne ( registre de travail ) du microprocesseur. • Ces registres sont plus rapide que la mémoire centrale , mais le nombre de ces registre est limité. • Généralement ces registres sont utilisés pour sauvegarder les données avant d’exécuter une opération. • Généralement la taille d’un registre de travail est égale à la taille d’un mot mémoire 20 Une machine avec des registres de travail registres 21 3.Jeu d’instructions • Chaque microprocesseur possède un certain nombre limité d’instructions qu’il peut exécuter. Ces instructions s’appelles jeu d’instructions. • Le jeu d’instructions décrit l’ensemble des opérations élémentaires que le microprocesseur peut exécuter. • Les instructions peuvent être classifiées en 4 catégories : – Instruction d’affectation : elle permet de faire le transfert des données entre les registres et la mémoire • Écriture : registre mémoire • Lecture : mémoire registre – Les instructions arithmétiques et logiques ( ET , OU , ADD,….) – Instructions de branchement ( conditionnelle et inconditionnelle ) – Instructions d’entrées sorties. 22 3.1 Codage d’une instruction • Les instructions et leurs opérandes ( données ) sont stocké dans la mémoire. • La taille d’une instruction ( nombre de bits nécessaires pour la représenter en mémoire ) dépend du type de l’instruction et du type de l’opérande. • L’instruction est découpée en deux parties : – Code opération ( code instruction ) : un code sur N bits qui indique quelle instruction. – La champs opérande : qui contient la donnée ou la référence ( adresse ) à la donnée. Code opération Opérande •Le format d’une instruction peut ne pas être le même pour toutes les instructions. •Le champs opérande peut être découpé à sont tours en plusieurs champs N bits K bits 23 Machine à 3 adresses • Dans ce type de machine pour chaque instruction il faut préciser : – l’adresse du premier opérande – du deuxième opérande – et l’emplacement du résultat Code opération Opérande1 Opérande2 Résultat Exemple : ADD A,B,C ( CB+C ) •Dans ce type de machine la taille de l’instruction est grand . • Pratiquement il n’existent pas de machine de ce type. 24 Machine à 2 adresses • Dans de type de machine pour chaque instruction il faut préciser : – l’adresse du premier opérande – du deuxième opérande , • l’adresse de résultat est implicitement l’adresse du deuxième opérande . Code opération Opérande1 Opérande2 Exemple : ADD A,B ( BA +B ) 25 Machine à 1 adresses • Dans de type de machine pour chaque instruction il faut préciser uniquement l’adresse du deuxième opérande. • Le premier opérande existe dans le registre accumulateur. • Le résultat est mis dans le registre accumulateur. Code opération Opérande2 Exemple : ADD A ( ACC(ACC) + A ) Ce type de machine est le plus utilisé. 26 4. Mode d’adressage • La champs opérande contient uploads/Industriel/ chap8-l-x27-architecturedebasedesordinateurs-pdf.pdf