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Cours de 20 h, 1ème semestre Module Architecture des ordinateurs I 1ère année,

Cours de 20 h, 1ème semestre Module Architecture des ordinateurs I 1ère année, Filière Génie Informatique – EMI Préparé en 2007/2008 par : F. Z. Belouadha et M. El Euldj Actualisé en 2010/2011 par : F. Z. Belouadha Dispensé par : F. Z. Belouadha et D. El Ghanami Support de cours Architecture des ordinateurs F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 2 Références [1] John L. Hennssy et David A. Patterson, Architecture des ordinateurs : une approche quantitative, McGraw-Hill, 1992 [2] Andrew Tanenbaum, Architecture de l’ordinateurs, Pearson education, 2005 [3] Emmanuel Lazard, Architecture de l’ordinateur, Pearson education, 2006 [4] Arvind and Krste Asanovic, Cours de MIT, http://ocw.mit.edu/NR/rdonlyres/Electrical-Engineering-and- Computer-Science/6-823Fall-2005/ [5] Hakim Amrouche, Cours Structure machine, http://amrouche.esi.dz/doc/ch7_memoires.pdf [6] Support de cours de MIT adapté par M. Eleuldj 2008, http://www.emi.ac.ma/~eleuldj F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 3 Intérêt de l’architecture des ord. • Pas du tout • Faire du traitement de texte ou les bases de données • Créer ou gérer un site Internet • Développer des logiciels en Java ou en C++ • Un peu quand même • Satisfaire la curiosité intellectuelle : Comment marche cette machine sur laquelle je passe des journées ? • Enormément • Développer des systèmes de traitement haute performance (Audio, Vidéo, Médical, Spatial…) • Développer des systèmes matériels (mémoire, µProcesseur…) • Donner une expertise en choix de matériel • Écrire des systèmes d’exploitation • Développer des compilateurs F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 4 Plan du cours Architecture des ordinateurs I. Structure de l’ordinateur II. Architecture de l’ordinateur de l’antiquité aux années quarante III. Architecture et évolution de l’ordinateur dans les années cinquante IV. Architecture et évolution de l’ordinateur dans les années soixante V. Microprogrammation VI. Hiérarchie de la mémoire F.Z. BELOUADHA. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 5 STRUCTURE DE L’ORDINATEUR Chapitre 1 1. Terminologie 2. Définition 3. Unité centrale 4. Schéma d’UAL 5. Registres 6. Décodeur et séquenceur 7. Bus 8. Outils logiciels F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 6 Terminologie • Anglais : computer calculateur • Français : ordinateur ordre (commande et organisation) • Arabe : الحاسوب, الكمبيوتر • 1955 : Création du mot français «ordinateur», déposé d’abord par IBM, pour désigner ce qui est en anglais un "computer" F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 7 Définition Structure des ordinateurs Organisation des ordinateurs + logiciels + compilateurs + systèmes d’exploitation + algorithmes + conception des circuits + SGBD + algorithmes + langages + … + Interconnexions UCT (UAL+UC) + Mémoire + Unités d’E/S • Architecture des ordinateurs • Ordinateur : • Composants matériels qui communiquent entre eux • Outil utilisé pour le calcul et le traitement automatique de l’information Unité centrale de traitement Processeur (CPU): traite les données et envoie des ordres aux autres composants 8 F.Z. BELOUADHA. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI Exemple d’UAL 74LS181 (UAL 4 bits) – Opérandes sur A & B – Type de fonctions sur M (1 logiques, 0 arithmétiques) – Type d'opération sur S – Résultat sur F 9 F.Z. BELOUADHA. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI Registres (1/4) Mémoires RAM internes au μp d'accès rapide Compteur ordinal (PC ou IP) – Adresse de la prochaine instruction à exécuter Registre d'instruction : – Code de l'instruction à exécuter 10 F.Z. BELOUADHA. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI Registres (2/4) Accumulateur : – Contient au début une opérande de l'opération et le résultat à la fin 11 F.Z. BELOUADHA. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI Registres (3/4) Registre d'état (PSW : Program Status Word) – Contient des bits indicateurs d'état du μp (flags/drapeaux) – Les flags sont actualisés en fonction du résultat de la dernière instruction (ex : 8086) – Ce registre est utilisé par les instructions de saut conditionnel 12 F.Z. BELOUADHA. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI Registres (4/4) Pointeur de pile (SP) – Contient l'adresse de la dernière case utilisée ou de la prochaine case libre de la pile – La pile = zone mémoire réservée au stockage temporaire de données utiles au déroulement du programme Registres temporaires – Utilisés par le μp pour le stockage temporaire des adresses ou données lors du déroulement d'instructions 13 F.Z. BELOUADHA. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI Décodeur et séquenceur Décodeur (ensemble de circuits) – Décode le code opératoire en une séquence de commandes et envoie les signaux correspondants à l'UAL Séquenceur – Dirigé par l'horloge, il synchronise les étapes d'exécution d'une instruction – Il gère chaque étape et la transforme en signaux de contrôle 14 F.Z. BELOUADHA. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI BUS Bus : systèmes de câblage pour lier et faire communiquer les composants d'un ordinateur – Fils de transmission d'informations (données, adresses ou commandes) 1 fil transmet un bit, 1bus à n fils = bus n bits Types : – Séquentiels : 1 seul fil qui transmet bit par bit – Parallèles : transmission simultanée de +eurs bits Fonctions : Bus d’adresses, de données et de contrôle – L’espace mémoire adressable dépend de la largeur du bus d’adresses 15 F.Z. BELOUADHA. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 16 Outils logiciels Comment dialoguer avec l’ordinateur ? – Système d’exploitation (SE) : 1er logiciel à installer – Exemples : Unix, linux, MsDos… Comment traiter l’information ? – Différents logiciels : bureautique, comptabilité, jeux, applications… – Langages de programmation : Langage machine, de bas niveaux, évolués F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 17 ARCHITECTURE DE L’ORDINATEUR DE L’ANTIQUITÉ AUX ANNÉES 40 Chapitre 2 1. Motivation 2. Boulier 3. Règles de calcul, Pascaline, machines à différences et analytique 4. Mark I 5. ABC et ENIAC 6. Machine de Von Neumann 7. EDVAC, UNIVAC et EDSAC 8. Premières machines commercialisées (IBM 701…) 9. Facteurs ayant influencé l’architecture des ordinateurs F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 18 Motivation Le besoin de calculer remonte au début de la société humaine L’homme utilisait des cailloux (calculus) et ses doigts pour compter L’homme était lent et se trompait souvent De nouveaux outils pour simplifier et accélérer le calcul étaient nécessaires F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 19 Antiquité (1/3) • Différentes civilisations ont inventé des bases de numérotation et des méthodes de calcul – Octogone à trigramme (-3000 en chine) : représentation binaire des huit 1ers chiffres par des traits interrompus ou non – Abaque (abacus) : table de calcul • Types : Chinois, grec et romain (sable, jetons…) • Boulier en est un descendant F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 20 Antiquité (2/3) Ensemble de boules coulissantes sur des tiges Les boules d’une tige indiquent un nombre de 0 à 15 et représentent une unité, une dizaine… La partie inférieure (supérieure) d’une tige supérieure (inférieure) représente un multiple de 5 (une unité) outil servant à calculer : addition, soustraction, multiplication, division, racine carrée… 6 3 0 2 7 1 5 4 0 8 Boulier F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 21 Antiquité (3/3) -1750 Code d'Hammourabi : le roi de Babylone a fait graver les sentences royales sous la forme : SI {personne} ET {action} ALORS {sentence} -330 Logique : définie par le philosophe grec Aristote + 820 Travaux du mathématicien Perce Abou Jaafar Mohammed Ibn Moussa Al Khawarizmi connu pour son livre "Al Jabr oua El Mokabala" écrit à l'an 825 +1000 Zéro : Inventé en Inde, rapporté en Occident par les arabes et accepté en occident vers le XIVème siècle F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 22 Calculateurs mécaniques Règle de calcul : W. Oughtred et E.Gunter en 1620 – Après l’invention du logarithme par J. Napier en 1614 Utilisée dans la multiplication : log (a*b)=log(a) + log(b) F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 23 Pascaline Blaise Pascal (1642-France) – Machine à base de roues à ergot – Utilisée pour des additions et soustractions B. Pascal F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 24 Pascaline améliorée Construite par Leibniz (1673-Allemagne) Utilise des cylindres à dents de longueurs inégales Calcule les opérations +, - et * G. W. Leibniz F.Z. BELOUADHA et M. El Euldj. Architecture des ordinateurs. 1ère année Filière Génie Informatique, EMI 25 Machine à différences (1/2) Calculateur mécanique – Roues dentées sur des tiges + manivelles – Inventée par Charles Babbage uploads/Ingenierie_Lourd/ architecture-des-ordinateurs 1 .pdf