Cours est basé sur le livre de William Stallings (800 pages) qui s’intitule «Organisation et architecture des ordinateurs»








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ARCHITECTURE DES ORDINATEURS.
Le cours est basé sur le livre de William Stallings (800 pages) qui s’intitule « Organisation et architecture des ordinateurs », 6ème édition.
Voici le plan général :


  • INTRODUCTION

  • L’ORDINATEUR

  • LE PROCESSEUR

  • L’UNITE DE CONTROLE

  • ORGANISATION PARALLELE



INTRODUCTION.

  • Vue fonctionnelle

  • Structure d’un ordinateur

  • Evolution et performances des ordinateurs.

  • Unités de mesure des tailles de la mémoire d’un ordinateur.


VUE FONCTIONNELLE
Les 4 fonctions principales d’un ordinateur.


  • Traitement des données.

    • Opérations arithmétiques.

  • Mémorisation des données.

    • Mémoire a long terme

    • Mémoire a court terme

  • Transfert de données.

    • Vers l’extérieur

    • De l’extérieur

  • Contrôle

    • Vérification des opérations possibles et non autorisées.



VUE FONCTIONELLE.
Environnement de fonctionnement (exploitation)

(source de destination des données)


Dispositif de

Tansfert des

Données


Mécanismes de

Contrôle

Structure de Structure de

Mémorisation des traitement des

Données données


STRUCTURE D’UN ORDINATEUR.


  • Processeur (CPU = Central Process Unit)

    • Contrôle et exécute les fonctions de traitement des données

    • Il peut y en avoir plusieurs.

  • Mémoire principale.

    • Mémorise les données.

  • E/S

    • Transfert les données entre l’ordinateur et son environnement externe.

  • Interconnexion des ordinateurs (Bus système)

    • Prend en charge la communication entre le processeur, la mémoire principale et les E/S.



Le processeur est composé de 4 éléments :

  1. Unité de contrôle (UC).

  • Contrôle le fonctionnement du processeur et donc de l’ordinateur.

  1. Unité arithmétique et logique (UAL).

  • Exécute les fonctions de traitement des données de l’ordinateur.

  1. Registres.

  • Mémoire interne du processeur.

  1. Interconnexion du processeur.

  • Prend en charge les communications entre l’UC, l’UAL et les registres.



EVOLUTION ET PERFORMANCES.
Quelles sont les évolutions technologiques constantes en informatique.
La vitesse du processeur.

Cadence des BUS.

Capacité de stockage, capacité mémoire.


  • Augmentation constante de la vitesse des processeurs.

  • Miniaturisation de la taille des composants.

    • Réduction des distances entre les composants.

    • Augmentation du nombre de composants.

  • Augmentation de la taille de la mémoire.

  • Augmentation des débits des E/S.


1946 : ENIAC.

  • Lohn Mauchly et John Presper Eckert, université de Pennsylvanie.

  • 2ème guerre mondiale : portée et trajectoire des missiles.

  • 30 tonnes, 500 m² au sol, 18 000 tubes à vide.

    • 1 tube = 1 chiffre

  • 5000 additions par secondes.

  • Ordinateur décimal.

  • Il fallait brancher et débrancher manuellement les câbles.


1952 : Machine de John Von Neumann

  • Idée : ranger les programmes en mémoire et non plus tout câbler et recâbler a chaque fois.

  • Cet ordinateur (IAS) a servi de base a tous les autres ordinateurs généralistes.

  • Données en instructions sont représentées en code binaire.

  • Une UAL est déjà basée sur l’utilisation de registres.


1950 : Commercialisation des premiers ordinateurs.

  • UNIVAC I, UNIVAC II, UNIVAC 1103 par J. Eckert et J. Mauchly.

  • 1953 : IBM commercialise le 701.


1950 : Bell créé le transistor (en silicium) qui vont remplacer les tubes à vide à la fin des années 50.

  • 2ème génération d’ordinateurs.




GENERATION

DATES

TECHNOLOGIES

N bop/s

1

46-57

Tubes à vides

40 000

2

58-64

Transistors

200 000

3

65-71

Micro électronique

Puces et circuits intégrés

1 000 000

4

72-77

Intégration à grande échelle

10 000 000

5

78 - …

Intégration à très grande échelle

100 000 000


4ème et 5ème génération : ordinateurs de bureau et ordinateurs personnels (un PC de 3ème génération coûtait 16 000 US$)
Evolution des processeurs Intel.

  • 8086 à 80486 : 8 à 64 bits en largeur de bus.

  • Pentium : Introduction de la parallélisation des traitements des instructions.

  • Pentium pro : Prédiction des branchements et instructions.

  • Pentium II : Traitements spécifiques des flux multimédia.

  • Pentium III : Instructions supplémentaires pour les logiciels de graphismes 3D.

  • Pentium IV : Instructions supplémentaires pour le multimédia.

  • Itanium : Introduction de l’Intelligence Artificielle (IA).


Evolution du Power PC (IBM avec système RISC).

  • 601/620 : 32 à 64 bits de largeur de bus.

  • 740/750 (3ème génération) : cache intégré dans la puce du processeur central.

  • 4ème génération : Augmentation du parallélisme et de la vitesse interne du processeur.


UNITES DE MESURE DES TAILLES DE LA MEMOIRE D’UN ORDINATEUR.
L’information est codée en binaire :

  • Un bit peut prendre 2 valeurs : 0 ou 1.

  • Un kilobit (Kb) est égal à 2^10 soit 1024 bits exactement.

  • Un megabit (Mb) est égal à 2^20 bits soit 1 048 576 bits exactement.

  • Un gigabit (Gb) est égal à 2^30 bits soit 1 073 741 824 bits exactement.


1 = 0001b

2 = 0010b

3 = 0011b

4 = 0100b

5 = 0101b

6 = 0110b

7 = 0111b

8 = 1000b
Dans la plupart des ordinateurs, chacun des caractères est codé sur 8 bits.

  • On peut donc coder 2^8 caractères différents soit 256 caractères.


Un octets = 8 bits.

Attention à la traduction américaine : un octet = un Byte.
1 KB = 1 Ko.
1 Ko = 2^10 octets

1 Mo = 2^10 Ko = 2^20 Octets

1 Go = 2 ^10 Mo = 2^20 Ko = 2^30 octets.

1 Ko = 8 Kb.

1 Mo = 8 Mb



L’ORDINATEUR.
Système d’exploitation et architecture des ordinateurs

Architecture des ordinateurs :

L’ordinateur
Fonction d’un ordinateur
La mémoire cache est une mémoire intermédiaire, on charge les instructions qui sont l’ensemble du programme ;

La mémoire interne est la mémoire principal ;

La mémoire externe, ex : lecteur dvd, disque dur ;

Les entrés sorties : souris, clavier.
Exécuter des programmes ;

Les programmes se composent d’un ensemble d’instructions ;

Les instructions sont rangées en mémoire ;

Les composants de l’ordinateur :

  • Processeur

  • Mémoire (stocker les donnés)

  • Module entré sortie

  • Bus système (prend en charge toutes les communications entre les élément ;

CP : compteur de programme, adresse mémoire des instructions, augemente la vitesse

CPU : registre interne, registre tampon

RI : registre interne

RT :
Le processeur lit une à une les instructions dans la mémoire et les exécute ;

Le cycle d’instruction est le traitement nécessaire pour une instruction :

  • Lecture d’une instruction

  • Lecture d’une ou plusieurs opérandes

  • Rangement d’une ou plusieurss opérandes

  • Test d’interruption (sert à vérifier les instructions).


Le CP (compteur de programme) contient l’adresse de lza prochaine instruction à lire :

  • Il est incramenté à chaque lecture

Le processeur place l’instruction du CP dans le RI (registre interne) et incrémente le CP ;

Puis il traite l’instruction.
Types d’instructions en mémoire : calculs, mise en mémoire, vérifications

L’intruction peut-être :

  • Une lecture ou une écriture mémoire

  • Une lecture ou une écriture E/S

  • Un traitement arithmétique des données

  • Un contrôle : la prochaine instruction est à l’adresse…

(Cas des instructions conditionnelles et des appels de sous-programmes)
Une interruption comme (sont nom l’indique) interrompt le cycle d’instructions ou le programme en cours d’exécution.
Types d’interruptions : temporisations, manque de mémoire, vérification exécution d’autres programmes, reset,
Une interruption peut être :

Une interruption de programme :

  • Dépassement de capacité

  • Division par 0

  • Instruciton illégale

Un temporisateur :

  • Permet au système d’exploitation d’effectuer régulièrement certaines fonctions

Une interruption E/S :

  • Exemple : l’utilisateur écrit au clavier

Une défaillance matérielle
Pour chaque périphérique E/S il y a un gestionnaire d’interruption

Un périphérique E/S
Les différentes structures de bus :

Les lignes de données

  • Transmettent uniquement des données

  • Déterminent les performances

Les lignes d’adresses

  • Désignent la source ou la destination des données du bus de données

Les lignes de contrôle

  • Contrôlent l’accès et l’utilisation des lignes de données et d’adresse

Physiquement, ce sont des lignes métalliques gravées sur la carte.
Ordinateurs modernes :

    • Hiérarchisation des bus

    • Des tampons sont ajoutés entre les bus

    • Le bus PCI

      • Bus interne permettant de connecter des cartes d’extension sur la carte mère d’un ordinateur

      • Bus haut débit

      • Indépendant du processeur

      • Meilleurs performsances que le bus système


La mémoire cache
Influence directe sur la performance d’un ordinateur
Pour améliorer les performances :

Garder au plus près du processeur (en cache), les accès récents

De manière à accéder le moins possible à la mémoire externe
La mémoire cache est une copie de certaines parties de la mémoire principale ;

Lorsque le processeur tente de lire un mot, il vérifie auparavant s’il ne se trouve pas déjà dans le cache ;

L’accès aux mots est ainsi plus rapide ;
Si le mot ne se trouve pas dans le cache, on copie d’abord le bloc dans le cache ;

Puis le cache donne l’accès au mot au processeur ;

Il est fort probable que lorsqu’on souhaite accéder à une information d’un bloc, on souhaite accéder aux informations environnantes de ce mot dans le bloc.
Le cache doit être suffisamment grand

  • Stocker toutes les données nécessaires

Le doit être suffisamment réduit

  • Pour permetre d’accéder aux informations rapidement

Hiérarchie de caches
PowerPC G4

1 cache interne : cache L1

un cache pour les données de 32Ko

un cache pour les instruction de 32Ko

2 cache externes

cache L2  : cache mixte (données et instruction) de 256Ko à 1Mo

Cache L3 : cache mixte données et instruction de 2…
Pentium 4

1 cache interne cache L1

un cache pour les données de 8Ko…
Il existe différents algorithmes pour remplacer les blocs dans le cache

Du plus efficace au moins efficace :

  • Moins récemment utilisé : LRU : least recently used

  • Premier entré premier sorti : FIFO : first in first out

  • Moins fréquemment utilisé : LFU : least frequently used

  • Remplacement aléatoire


La mémoire interne
Mémoire principale de l’ordinateur.
DRAM :

Dynamic Random Access Memory

Mémoire vive interne

L’information est une charge électrique sur un condensateur

Cette charge diminue avec le temps et doit être rafraichie régulièrement

Une valeur seuil détermine si c’est un 1 ou 0 pour le bit

L’information s’efface avec le temps

Selon vous, est il utile d’attendre 10 à 20 secondes avant…
La DRAM synchrone (SDRAM) (IBM) :

Echange les données avec le processeur en synchronisaton avec une horloge interne

Quand une requête est faite par le processeur, le nombre de cycles au bout duquel de DRAM aura fait l’action est connue par avance

Le processeur peut donc continuer à travailler

Envoyer des données vers processeur deux fois par cycle
DRAM rambus (RDRAM) :

Principale concurrente de la SDRAM

Basée sur un bus interne qui définit la vitesse transmission

Le type d’action est transmis par le bus et intégré aux données transmises

Gian de temps

Vitesse de bus : 800 mb/s
DRAM cache (CDRAM) (mitsubichi) :
Elle inclut un petit cache SRAM de 16 ko

Elle peut servir de véritable cache ou de tampon pour prendre en charge l’accès séquentiel à un bloc de données

Préchargement dans la SRAM cache
SRAM :

Static Random Access Memory

Mémoire vive interne statique

La plus rapide à se décharger

Tout disparaît lorsque l’alimentation est coupée

Utilisée pour le cache

Pourquoi ?
ROM :

Read Only Memory

Mémoire morte

Mémoire permanente (non volatile, lecture seule), les données ne peuvent être effacées

Elle sert aux :

Sous programme des bibliothèques pour les fonctions fréquemment utilisées

Programmes du système


PROM :

Programmable ROM

ROM programmable une seule fois

EPROM :

Erasable PROM

ROM effaçable et programmable globalement et électriquement par (rayonnement uv)

EEPROM :

Electrical EPROM

EPROM programmable octet par octet

Mémoire flash :

PROM effacble par bloc
La mémoire externe
Disque magnétique
Aspect physique :

C’est un plateau rond composé

D’un matériau non magnétique (surbstrat)

Recouvers d’un plateau…
Les données sont enregistrées puis récupérées du disque via une bobine conductrice : la tête

La tête est fixe et le plateau tourne en dessous en phase de lecture et d’écriture

Sur la plupart des disques il y a une tête de lecture et une tête d’écriture
Sur le plateau les données sont oragnisées en anneaux concentriques : pistes

Largeur d’une piste = largeur de tete

Une surface contient des milliers de pistes

Des espaces entre les pistes évitent les erreurs induites par un mauvais alignement de la tete sur les pistes
Les pistes sont divisées en secteurs

Quelques centaines de secteurs par piste

La lontgueur d’un secteur est fixe 512 octets

Les secteurs adjacents sont séparés par des espaces intersecteur

Des marqueurs invisibles à l’utilisateur délimitent chaque secteur : début, taille, identifiant du secteur, numéro de piste, fin.
Disque à tête fixe : une tête de lecture / écriture par piste

Disque à tête mobile : une seule de lecture / écriture, une montée sur un bras déployable et rétractable, un arbre fait tourner le disque.
Les pistes d’une surface de plateau constituent un cylindre.

2 types de disques :

Disques simple face

Disques double face  une couche magnétique sur les faces du plateau

Certains disques contiennent plusieurs plateaux  une tête par surface de plateau
Pour mesurer la performance des accès à un disque :

Temps d’attente du composant

 Lorsqu’un processus émet une requête d’E/S, il doit d’abord attendre dans une file d’attente qu’un composant soit disponible avant de lui être assigné

Temps d’attente du canal

 Si le canal est partagé avec d’autres lecteur de disques, il y a un délai d’attente supplémentaire

temps de positionnement :

temps nécessaire pour positionner la tête au dessus de la piste

disques durs modernes < 10 ms

le controleur de disque attend ensuite que le secteur approprié tourne pour venir s’aligner avec la tête

délai du au composant occupé :

si le composant fait une autre tâche, il faut attendre qu’il ait fini le cycle

délai de rotation :

temps qu’il faut pour positionner le début du secteur sous la tête

disques durs modernes : entre 100 ms et 50ms
La technologie RAID
Reductant array of independant disks :

Reseaux redondants de disques indépendants

Utilisation de plusieurs disques externes en parallèle :

Accèus simultanés à plusieurs disques

7 niveaux différents de 0 à 6
RAID 0 :

Pas de redondance

Possibilité d’émettre deux requêtes en parallèle sur deux disques différents

RAID 1 :

Duplication des données

Chaque dique possède un disque miroir

RAID 2 et 3 :

Techniques d’accès parallèle aux différentes données

En cas de défaillance d’un disque, on accède au disque de parité et les données sont reconstruites

RAID 4 à 6 :

Accès indépendants et non plus parallèles


Mémoire optique
CD/DVD : lecture seule, audio, vidéo

CD-ROM lecture seule, tout type d’information. 650 mo

CD-R/DVD-R : 1 seule écriture possible

CD-RW/DVD-RW : Ré-enregistrable
Fonctionnement d’un CD :

Un moteur fait tourner le disque sous un laser faible puissance

Creux lumière dispersée : faible intensité en retour

Méplats lumière d’intensité plus grande en retour

Un capteur détecte les changements entre creux et méplats

1 : début et fin d’un creux

0 : pas de chagement d’état

Les données sont organisées en spirale et non en disques  on balaie selon une vitesse linéaire constante est non plus angulaire
Fonctionnement d’un DVD :

Un cd ou un dvd est moins couteux à reproduire qu’un disque magnétique

Il est amovible possibilité d’archivage

Mais le temps d’accès est plus long qu’un disque magnétique
Bande magnétique
Même principe que les disques magnéiques

Bande polyester souple recouverte d’une pellicule de matériau magnétique

Données organisées en pistes parallèles (18 à 36 pistes parallèles)


Mémoire flash externe
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