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INFO-F-102 – Fonctionnement des ordinateurs Cours et exercices corrigés Gilles

INFO-F-102 – Fonctionnement des ordinateurs Cours et exercices corrigés Gilles GEERAERTS Année académique 2022–2023 1 Document mis en page à l’aide de X E L AT EX, en utilisant la classe KOMA script. Version du 2 août 2022. 2 À mon père, qui m’a appris le plaisir d’apprendre. 3 4 Table des matières I. Notions de base 17 1. Leçon 1 – Introduction : Qu’est-ce qu’un ordinateur ? 19 1.1. Déﬁnitions et étymologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2. Un premier modèle : l’architecture de VON NEUMANN . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3. Une vision différente : structure en niveaux et traductions . . . . . . . . . . . . . 26 2. Leçons 2 à 4 – Représentation de l’information 31 2.1. Unités de quantité d’information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2. Écriture des nombres dans différentes bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.1. Changements de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2. Opérations en base 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.3. Représentation des entiers non-signés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.4. Représentation des nombres entiers signés . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.5. Représentation des nombres « réels » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3. Représentation des caractères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.4. Représentation d’images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.5. Représentation des instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.6. Détection et correction d’erreurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.6.1. Bit de parité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.6.2. Code de HAMMING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.6.3. Applications des codes correcteurs d’erreur . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.7. Conclusion : sémantique d’une représentation binaire . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.8. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.8.1. Changements de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.8.2. Représentation des nombres négatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.8.3. Représentation des nombres en virgule ﬂottante . . . . . . . . . . . . . . 66 2.8.4. Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3. Leçon 5 & 6 – Organisation de l’ordinateur 71 3.1. Mémoire primaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.1.1. Structure et adresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.1.2. Mémoire cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.1.3. Ordre des octets dans les mots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.1.4. Réalisation de la mémoire primaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.2. Le processeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.2.1. Composants du processeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.2.2. Le chemin des données – datapath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5 Table des matières 3.2.3. Exécution des instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.2.4. Machine à pile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.2.5. Choix du jeu d’instructions machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.2.6. Techniques pour améliorer l’efﬁcacité des processeurs . . . . . . . . . . . 88 3.3. Les périphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3.1. Mémoire secondaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.3.2. Les périphériques d’entrée/sortie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 II. Les portes logiques 101 4. Leçons 7 à 9 – Niveau 0 : portes logiques 103 4.1. L’algèbre Booléenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2. Les circuits logiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.2.1. Les portes logiques en pratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.2.2. De la formule Booléenne au circuit logique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.3. Circuits pour réaliser l’arithmétique binaire . . . . . . . . . . uploads/Ingenierie_Lourd/ info-f-102.pdf