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Chapitre I: Généralités sur les architectures

Cours : Architecture des Ordinateurs

  • Élaboré par Sofien Chtourou

Introduction à l'architecture des ordinateurs

Évolution de la définition d'un ordinateur

  • Initialement : Un ordinateur était simplement un calculateur numérique.

  • Aujourd'hui :

    • Acquisition de l'information

    • Stockage des informations

    • Traitement de l'information

    • Restitution de l'information

Composants fonctionnels d'un ordinateur

  • Ordinateur : Ensemble de blocs fonctionnels

  • Blocs fonctionnels :

    • Acquisition : Dispositifs d'entrée/sortie (ex : USB, série, parallèle)

    • Stockage : Mémoires et bus (plusieurs niveaux de stockage)

    • Traitement :

      • Processeur (CPU : Central Processing Unit)

      • Co-processeur (processeurs spécifiques)

Architecture et interconnexions

  • Fixer l'architecture :

    • Répartition en blocs fonctionnels

    • Interconnexions entre ces blocs

  • Critères de sélection :

    • Coût, performance, efficacité, facilité de construction, performance globale, facilité de programmation

Architecture de Von Neumann

Concepts de base

  • Proposition par John Von Neumann :

    • Séparation entre Unités de traitement (CPU) et de stockage (mémoire).

  • Instructions et opérandes :

    • Instruction = traitement spécifique (ex : A=5+7)

    • Opérandes = données utilisées (ex : A, 5, 7)

    • Instructions et opérandes stockés ensemble dans la mémoire.

Exécution des programmes

  • Processus : Un programme en cours d'exécution, géré par le système d'exploitation.

  • Mémoire dynamique : Allocation dynamique des ressources pendant l'exécution.

Performance de l'architecture de Von Neumann

  • Rapidement, la performance générale dépend de la rapidité des composants.

    • Importance des mémoires rapides pour un processeur performant.

    • Évolution vers l'architecture de Harvard pour améliorer l'accès aux informations.

Architecture de Harvard

  • Caractéristique : Accès simultané aux données et instructions, permettant un meilleur débit d'informations.

  • Résultat : Exécution approximativement 2 fois plus rapide.

Systèmes d'Entrées/Sorties (E/S)

Parallélisme dans les opérations

  • Traitement d'instructions tout en gérant des données saisies par l'utilisateur.

  • Complexité du traitement des E/S :

    • Écarts de vitesse entre périphériques et CPU.

    • Modes de fonctionnement variés des périphériques.

Rôle des contrôleurs

  • Chaque périphérique est piloté par un contrôleur agissant comme interface.

  • Fonctions du contrôleur :

    • Lecture/écriture des données

    • Contrôle et testing du périphérique

    • Gestion de la communication entre CPU et périphériques

Modes de transfert dans les dispositifs d'E/S

Par scrutation

  • Le processeur attend pour le transfert de données.

    • Avantage : Simplicité

    • Inconvénient : Temps d'attente inutile pour le CPU.

Par interruption

  • Signal matériel qui change le flux d'exécution du programme.

    • Commutation : Passage au programme de gestion de l'interruption.

  • Avantages :

    • Réduction des délais d'attente.

    • Le retour au programme principal après le traitement de l'interruption.

DMA (Direct Memory Access)

  • Transfert de données sans passer par le processeur, augmentant l'efficacité.

Communication entre dispositifs

Communication synchrone

  • Fonctionnement à la même fréquence d'horloge avec des protocoles fixes.

    • Ex : Communication processeur-mémoire

Communication asynchrone

  • Dispositifs à fréquences différentes nécessitant un protocole de liaison.

    • Ex : Communication processeur-contrôleur

Composants de Base

Processeur

  • Interprète les instructions et traite les données.

  • Contient plusieurs unités : UAL, FPU, registres, unité de contrôle.

Mémoire

  • Permet le stockage et la lecture des données.

  • Temps d'accès : Délai entre le lancement et la disponibilité des données.

  • Niveaux de mémoire :

    • Registres, mémoire cache, mémoire centrale (RAM), disque

Bus

  • Permet la communication entre les composants.

    • Types de bus : ISA, PCI, AGP.

Exercices

Exercice 1 : Processeur 64 bits

  1. Déterminer le nombre d’emplacements mémoire et leur adresse.

  2. Taille du bus donnée et adresse.

  3. Schéma d’organisation matérielle associant processeur et mémoire.

Exercice 2 : Circuits intégrés de RAM

  1. Nombre de circuits de mémoire vive.

  2. Nombre de cases mémoires et adresses accessibles.

  3. Taille du bus donnée et adresse à définir.

Exercice 3 : Gestion des E/S

  1. Instructions pour gestion des E/S par interruption et scrutation.

  2. Comparaison des méthodes de gestion des E/S : interruption vs scrutation.