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Plan du chapitre: 1. Les principaux constituants 1.1 Dans l’Unité Centrale : l’

Plan du chapitre: 1. Les principaux constituants 1.1 Dans l’Unité Centrale : l’unité de traitement 1.2 Dans l’Unité Centrale : l’unité de commande 1.3 Dans l’Unité Centrale : les Unités d’échange 1.4 Exemples de machine à une adresse : un micro-processeur 1.5 Les Bus 1.6 Schéma générald’une micro-machine fictive 1.7 Notion de jeu d’instructions-machine 1.8 Architectures RISC et CISC 1.9 Pipe line dans un processeur 1.10 Architectures super-scalaire 1.11 Principaux modes d'adressages des instructions machines 2. Mémoires - Mémoire centrale 2.1 Mémoire 2.2 Les différents types de mémoires 2.3 Les unités de capacité 2.4 Mémoire centrale : définitions 2.5 Mémoire centrale : caractéristiques 2.6 Mémoire cache (ECC, associative) 3. Une petite machine pédagogique 8 bits " PM " 3.1 Unité centrale de PM (pico-machine) 3.2 Mémoire centrale de PM 3.3 Jeu d’instructions de PM 4. Mémoire de masse ( externe ou auxiliaire) 4.1 Disques magnétiques - disques durs 4.2 Disques optiques compacts - CD / DVD PanneauArchitec.dif\PresArchitec.exe 1. Les principaux constituants d'une machine minimale Un ordinateur, nous l’avons déjà noté, est composé d’un centre et d’une périphérie. Nous allons nous intéresser au cœur d’un ordinateur mono-processeur. Nous savons que celui-ci est composé de :  Une Unité centrale comportant : o Unité de traitement, o Unité de contrôle, o Unités d’échanges. o Une Mémoire Centrale. Nous décrivons ci-après l'architecture minimale illustrant simplement le fonctionnement d'un ordinateur (machine de Von Neumann). 1.1 Dans l’Unité Centrale : l’Unité de Traitement Elle est chargée d’effectuer les traitements des opérations de types arithmétiques ou booléennes. L’UAL est son principal constituant. Elle est composée au minimum :  d’un registre de données RD  d’un accumulateur ACC  d’une unité arithmétique et logique : UAL Schéma général théorique de l’unité de traitement : machine à une adresse machine à plusieurs adresses La fonction du registre de données (mémoire rapide) est de contenir les données transitant entre l’unité de traitement et l’extérieur. La fonction de l’accumulateur est principalement de contenir les opérandes ou les résultats des opérations de l’UAL. La fonction de l’UAL est d’effectuer en binaire les traitements des opérations qui lui sont soumises et qui sont au minimum:  Opérations arithmétiques binaires: addition,multiplication, soustraction, division.  Opérations booléennes : et, ou, non.  Décalages dans un registre. Le résultat de l’opération est mis dans l’accumulateur (Acc) dans le cas d'une machine à une adresse, dans des registres internes dans le cas de plusieurs adresses. 1.2 Dans l’Unité Centrale : l’Unité de Contrôle ou de Commande Elle est chargée de commander et de gérer tous les différents constituants de l’ordinateur (contrôler les échanges, gérer l’enchaînement des différentes instructions, etc...) Elle est composée au minimum de :  d’un registre instruction RI,  d’un compteur ordinal CO,  d’un registre adresse RA,  d’un décodeur de fonctions,  d’une horloge. Schéma général de l’unité de contrôle Vocabulaire : Bit = plus petite unité d’information binaire (un objet physique ayant deux états représente un bit). Processeur central = unité de commande + unité de traitement. Instruction = une ligne de texte comportant un code opération, une ou plusieurs références aux opérandes. Soit l’instruction fictive d’addition du contenu des deux mémoires x et y dont le résultat est mis dans z : opérateur références opérandes Registre instruction = contient l’instruction en cours d’exécution, elle demeure dans ce registre pendant toute la durée de son exécution. Compteur ordinal = contient le moyen de calculer l’adresse de la prochaine instruction à exécuter. Registre adresse = contient l’adresse de la prochaine instruction à exécuter. Décodeur de fonction = associé au registre instruction, il analyse l’instruction à exécuter et entreprend les actions appropriées dans l’UAL ou dans la mémoire centrale. Au début, la différentiation des processeurs s'effectuait en fonction du nombre d'adresses contenues dans une instruction machine. De nos jours, un micro- processeur comme le pentium par exemple, possède des instructions une adresse, à deux adresses, voir à trois adresses dont certaines sont des registres. En fait deux architectures machines coexistent sur le marché : l'architecture RISC et l'architecture CISC, sur lesquelles nous reviendrons plus loin. Historiquement l'architecture CISC est la première, mais les micro-processeur récents semblent utiliser un mélange de ces deux architectures profitant ainsi du meilleur de chacune d'elle. Il existe de très bons ouvrages spécialisés uniquement dans l'architecture des ordinateurs nous renvoyons le lecteur à certains d'entre eux cités dans la bibliographie. Dans ce chapitre notre objectif est de fournir au lecteur le vocabulaire et les concepts de bases qui lui sont nécessaires et utiles sur le domaine, ainsi que les notions fondamentales qu'il retrouvera dans les architectures de machines récentes. L'évolution matérielle est actuellement tellement rapide que les ouvrages spécialisés sont mis à jour en moyenne tous les deux ans. 1.3 Dans l’Unité Centrale : les Unités d’échange  Une unité d’échange est spécialisée dans les entrées/sorties.  Ce peut être un simple canal, un circuit ou bien un processeur particulier.  Cet organe est placé entre la mémoire et un certain nombre de périphériques (dans un micro-ordinateur ce sont des cartes comme la carte son, la carte vidéo, etc...). Une unité d’échange soulage le processeur central dans les tâches de gestion du transfert de l’information. Les périphériques sont très lents par rapport à la vitesse du processeur (rapport de 1 à 109). Si le processeur central était chargé de gérer les échanges avec les périphériques il serait tellement ralenti qu’il passerait le plus clair de son temps à attendre. 1.4 Exemple de machine à une adresse : un micro-processeur Un micro-processeur a les mêmes caractéristiques que celles d’un processeur central avec un niveau de complexité et de sophistication moindre. C’est essentiellement une machine à une adresse, c’est à dire une partie code opérande et une référence à un seul opérande. Ce genre de machine est fondé sur un cycle de passage par l’accumulateur. L’opération précédente z = x + y , se décompose dans une telle machine fictivement en 3 opérations distinctes : LoadAcc x {chargement de l’accumulateur avec x : (1)} Add y {préparation des opérandes x et y vers l’UAL : (2)} {lancement commande de l’opération dans l’UAL : (3)} {résultat transféré dans l’accumulateur : (3)} Store z {copie de l’accumulateur dans z : (4)} L’accumulateur gardant son contenu au final Comparaison de "programme" réalisant le calcul de l'opération précédente "z = x + y "avec une machine à une adresse et une machine à trois adresses : Une machine à une adresse (3 instructions) Une machine à trois adresses (1 instruction) 1.5 Les Bus Un bus est un dispositif destiné à assurer le transfert simultané d’informations entre les divers composants d’un ordinateur. On distingue trois catégories de Bus : o Bus d’adresses (unidirectionnel)  il permet à l’unité de commande de transmettre les adresses à rechercher et à stocker. o Bus de données (bi-directionnel)  sur lequel circulent les instructions ou les données à traiter ou déjà traitées en vue de leur rangement. o Bus de contrôle (bi-directionnel)  transporte les ordres et les signaux de synchronisation provenant de l’unité de commande vers les divers organes de la machine. Il véhicule aussi les divers signaux de réponse des composants. Largeur du bus Pour certains Bus on désigne par largeur du Bus, le nombre de bits qui peuvent être transportés en même temps par le Bus, on dit aussi transportés en parallèle. Les principaux Bus de données récents de micro-ordinateur Les Bus de données sont essentiellement des bus "synchrones", c'est à dire qu'ils sont cadencés par une horloge spécifique qui fonctionne à un fréquence fixée. Entre autres informations commerciales, les constructeurs de Bus donnent en plus de la fréquence et pour des raison psychologiques, le débit du Bus qui est en fait la valeur du produit de la fréquence par la largeur du Bus, ce débit correspond au nombre de bits par seconde transportés par le Bus. Quelques chiffres sur des Bus de données parallèles des années 2000 : BUS Largeur Fréquence Débit Utilisation PCI 64 bits 66 MHz 528 Mo/s Processeur/périphérique non graphique AGP 32 bits 66 MHz x 8 4 Go/s Processeur/carte graphique SCSI 16 bits 40 MHz 80 Mo/s Echanges entres périphériques Il existe aussi des "Bus série" ( Bus qui transportent les bits les uns à la suite des autres, contrairement aux Bus parallèles), les deux plus récents concurrents équipent les matériels de grande consommation : USB et Firewire. BUS Débit Nombre de périphériques acceptés Ces Bus évitent de connecter des périphériques divers comme les souris, les lecteurs de DVD, les GSM, les scanners, les imprimantes, les appareils photo, …, sur des ports spécifiques de la machine USB 1,5 Mo/s 127 USB2 60 Mo/s 127 Firewire 50 Mo/s 63 FirewireB 200 Mo/s 63 1.6 Schéma général d’une micro-machine fictive à une adresse 1.7 Notion de jeu d’instructions-machine : Les premiers programmes comme défini précédemment, une instruction-machine est une instruction qui est directement exécutable par le processeur. L’ensemble de toutes les instructions-machine exécutables par le processeur s’appelle le " jeu d’instructions " de l’ordinateur. Il est composé au minimum de quatre grandes uploads/Industriel/ composant-d-x27-un-ordinateur.pdf