Les élèves connaissent les constituants de base de l’ordinateur








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date de publication27.03.2017
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Les élèves connaissent les constituants de base de l’ordinateur :

Le matériel ( hardware)

* la carte mère et ses principaux constituants ( support du processeur ; connecteurs de mémoire vive, de périphériques, ; connecteurs d’entrées-sorties …..),

* le microprocesseur ( CPU : Central Processing Unit),

* les mémoires RAM et ROM,

* les ports de communication ( série, USB ),

* les unités de stockage (disque dur, CD-Rom, DVD, blu-ray, clé USB),

* les périphériques ( webcam, modem, dispositifs d’acquisitions, …),

* l’écran, l’imprimante, la souris .
Au niveau logiciel ( software) , ils connaissent l’existence :

* du BIOS,

* du système d’exploitation,

* qu’en interne l’ordinateur fonctionne en binaire ; 1 bit ne peut prendre que 2 valeurs : a) 0 ( tension Ufil-masse = 0) , b) 1 ( tension Ufil-masse = 5 V, par exemple).

Un ensemble de 8 bits est 1 octet .

1] L’architecture de base de l’ordinateur

Elle contient les éléments suivants :

* le microprocesseur ( unité centrale)

* la mémoire principale

* des interfaces d’entrées-sorties.

Ils sont reliés par des voies de communication : les bus .

11) Le microprocesseur

Il interprète et exécute les instructions d’un programme. Il lit et sauvegarde les résultats dans la mémoire . Il communique avec les autres éléments de l’ordinateur . Son fonctionnement est cadencé par une horloge. On caractérise le processeur par :

* sa fréquence d’horloge en MHz ou GHz,

* le nombre d’instructions par seconde qu’il peut exécuter en MIPS ( Millions d’Instructions Par Seconde),

* la taille des données qu’il est capable de traiter en bits.

Le 1er microprocesseur ( = P ) date de 1971, c’est l’INTEL 4004 : 2300 transistors, 60 000 Instructions Par seconde, fréquence 108 kHz.

Recherche documentaire : * chercher le tableau des processeur de 1971 à aujourd’hui (nom , année, nombre de transistors,fréquence ) * qu’est-ce que la loi de Moore ?

12) La mémoire principale

Elle contient les instructions des programmes et les données. Elle se décompose en RAM et ROM ( lecture seule) .

13) les interfaces d’E/S : chaque périphérique est lié au système par une interface, ou contrôleur, qui gère les échanges avec le P .
2] L’architecture de base du processeur

Elle est construite autour de 2 éléments principaux : * une unité de commande (UC) * une unité de traitement (UAL) , qui sont associées à la mémoire . Ces 3 éléments sont reliés entre eux par 1 bus interne où circulent les informations .
21) L’unité de commande

* elle cherche en mémoire l’instruction à exécuter et la décode,

* l’envoie dans le banc registre par l’intermédiaire du bus, si c’est 1 instruction simple ; par exemple initialiser 1 case-mémoire.
* Si l’instruction est plus complexe ( additionner le contenu de 2 cases en mémoire) , l’UC cherche les valeurs dans sa mémoire et les envoie à l’UAL .
L’UC et le P fonctionnent au rythme d’une horloge.

Remarque  , l’UC comprend 2 parties : 1 séquenceur qui cherche en mémoire l’instruction et un banc registre ( qui est une mémoire du P , de faible capacité mais très rapide).
22) l’UAL

* elle réalise l’exécution des instructions grâce à ses fonctions arithmétiques et logiques,

* le résultat est envoyé sur le bus pour être mis en mémoire . Il peut alors apparaître sur 1 périphérique ( écran, imprimante, …).
3] La microprogrammation

31) Les langages de programmation

* le langage machine est celui compris par le processeur ; chaque instruction est codée par une séquence de bits .

* le langage assembleur est le langage le plus proche du langage machine. Ce langage peut varier d’un processeur à l’autre.

* le langage de haut niveau est plus adapté à l’homme que l’assembleur. Car il ne dépend pas de l’architecture de la machine et il permet d’écrire des algorithmes sous 1 forme plus facile à utiliser.

Ces langages sont le C, C++, pascal, Java, etc …
Le langage de haut niveau doit être compilé pour être traduit en assembleur, puis assemblé pour être convertit en langage machine ; afin d’être compris par le P .
32) Le jeu d’instructions ( à écrire dans la mémoire d’instructions)

a) les instructions arithmétiques

* l’initialisation : MOV Rd entier // ex : MOV R5 0 , met la case-mémoire 5 du registre à zéro

* l’ addition : ADD Rd Rx Ry // ex : ADD R2 R1 R0 , R2 va contenir la somme de R1 et de R0

* la soustraction : SUB Rd Rx Ry // ex : SUB R2 R1 R0 , R2 = R1 – R2
Le schéma d’1 simulateur est donné ( auteur D. Lavenier ENS Cachan Rennes ).

Ecrire 1 programme qui : * met R3 à 10 , R4 à 15, R5 à 20 * fait R3 + R4 – R5 * range le résultat en R6.

Exécuter le programme «  à la main » ; prog1.



Mémoire d’instructions

Données de sortie (écran ….)

Données d’entrée(clavier…)

L’UC : registre et séquenceur

Le bus l’UAL Mémoire des données

b)lLes instructions de lecture/écriture en mémoire de données

* lecture : LD Rd Ra // ex : LD R2 R1, la donnée à l’adresse R1 de la mémoire de données est mise dans la case-mémoire 2 du registre.

* écriture : SR Ra Rd // ex : SR R1 R2, la donnée en R2 du registre est écrite en R1 dans la mémoire de données .

c) Les instructions d’E/S

* en entrée : IN Rx // ce qui est entré dans Data IN est mis en Rx du registre

* en sortie : OUT Rx // le contenu de Rx est transféré dans Data Out .

Programme : transférer le contenu de R3, R4, R5, R6 dans les mêmes cases en mémoire de données et en sortie ; prog2.

d) le saut conditionnel

* branchement conditionnel si ZERO : JZ Rx label // si Rx == 0, le programme sur la ligne marquée « label »

* branchement conditionnel si NON ZERO : JNZ Rx label

* branchement conditionnel si > ZERO : JSUP Rx label

* branchement conditionnel si < ZERO : JINF rX label

* branchement inconditionnel : JMP label

label est une étiquette à mettre dans les cases de gauche pour repérer l’instruction .
Exemple , que fait le programme suivant ;  prog3 :





MOV R0 0



IN R1




IN R2




SUB R3 R1 R2




JINF R3 label




JMP end

label

OUT R1

end

OUT R2

Ecrire 1 programme qui récupère 2 entiers sur le port d’entrée et envoie le maximum sur le port de sortie ; prog4.

Ecrire 1 programme qui récupère 2 entiers dans la mémoire de données et envoie le maximum sur le port de sortie ; prog5 .



4] Le simulateur

Il fonctionne avec le langage python. Le logiciel python doit être installé sur l’ordinateur ; par exemple ActivePython 2.7.

Ouvrir IDLE (Python GUI) : D:\python27\Lib\idlelib ; puis File open sim_micropro.py ; puis run \ run module ; ce qui exécute le simulateur .

Exécuter les programmes 1 à 5 . NEXT INST : fonctionnement pas à pas ; noter combien il faut de cycles d’horloge pour exécuter complètement une instruction . Ensuite, utiliser NEXT CYCLE , qui fonctionne instruction par instruction .

Programmes à écrire et tester :

a) mettre les nombres 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 e mémoire de données à partir de l’adresse 0, faire leur somme e Ré du registre et afficher le résultat sur le port de sortie .

b) entrer les valeurs 4 et 5 dans le registre à partir de l’entrée ; faire leur multiplication et mettre le résultat en sortie.

5] Pour information dans Windows

Faites start run et C:\WINDOWS\system32\debug.exe ; debug permet d’accéder au registre de votre ordinateur : AX, BX, CX ,DX, … ; ? donne les commandes ; r permet de visualiser les contenus et de les modifier.

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