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








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Les entrées/sorties
Ce sont les interfaces d’un ordinateur avec monde extérieur (périphériques externes) :

Périphériques lisibles par l’homme : écran, imprimante, clavier, souris, etc

Périphériques lisibles par l’ordinateur : disques magnétiques, capteurs, etc

Périphériques distants : modem, terminal, etc
Il y a un modure E/S dédié à chaque prériphérique

Un module E/S a pour fonction :

  • Controler et coordonner les flux de données

  • Communiquer avec le proscesseru et les périphériques : décoder les signaux électriques (imprimante) et les étatns des périqphériques (très lents)

  • Mettre en mémoire tampon des données (lenteur des périphériques)

  • Détecter les erreurs, dysfonctionnements et pannes


Les E/S programmées
Echange de données proceesseur / module E/S

Le programme contrôle totalement l’opération durant toute sa durée : il doit attendre la fin de l’opération, il y a perte de temps.

Un module E/S peut rrecevoir 4 types de commandes du processeur :

  • Contrôl : active le périphérique et lui indique ce qu’il doit faire.

  • Test : teste les différentes conditions d’état (alimenté, prêt, etc).

  • Read : lecture des données du périphérique et placement dans le tampon du module E/S.

  • Write : transmission d’une donnée provenant du processeur au périphérique via le bus système.


Les E/S gérées par interruption
Le processeur émet une commande, puis exécute un autre travail. Quand le modure E/S a traité la commande, il émet une requête de service. Le processeur interropt son travail.

Du point de vue du modure E/S :

  • Entrée : reception d’une commande du processeur

  • Lecture des données du périphérique

  • Ecriture de la donnée dans le tampon (registre de données)

  • Interruption transmise au processeur (via ligne de contrôle du bus système)

  • Attente que le processeur réclame la donnée

  • Le module place la donnée sur le bus.

Du point de vue du processeur :

  • Emission d’une commande

  • Exécution d’une ou plusieurs taches

  • A la fin de chaque cycle d’instructions, test des interruptions

  • S’il y a une requête, il sauvegarde le contexte du programme en cours

  • Stockage des données transmises dans la mémoire interne

  • Restauration du contexte du programme interrompu

Les interruptions peuvent venir de plusieurs modules : quel module a envoyé quelle interruption ? Ordonner les interrupiton qui arrivent en même temps : priorités affectées aux périphériques.

Les E/S gérées par interruption demandent néamoins une intervention active du processeur. Le transfert des données doit passer par le processeur :

  • Le débit de transfert est donc limité par la vitesse à laquelle le processeur teste et sert un périphérique

  • Le processeur est occupé à gérer chaque transfert E/S

  • L’acces direct à la mémoire est utiles pour le transfert de gros volumes de données


Les accès directs à la mémoire
DMA : Direct Access Memory. Implique un module supplémentaire sur le bus système : le module DMA. Il s’octroie le contrôle du système pour transférer les données vers et depuis la méamoire en passant par le bus système.

Quand le processeur veut lire ou écrire un bloc de données il émet une commande vers le modure DMA, il continue ensuite son autre tâche. Le module DMA transfert le bloc en volant des cycles de bus au processeur : simple ralentissement du processeur. Lorsque le transfert est terminé, il envoie un signal d’interruption au processeur.

Support du système d’exploitation
Le système d’exploitation (Opérating Système, OS) est le logiciel qui contrôle les programmes d’un processeur et gère ses ressources.

Linux, windows, mac os, unix, bsd, vms, unix système
Vue d’ensemble
Couches et vues du système informatique (voir schéma)

Fonctions :

  • Contrôle l’exécution des programmes d’applications

  • Interface entre utilisateur et matériel

Objectifs :

  • Ergonomie : faciliter l’utilisation d’un ordinateur

  • Efficacité : gérer les ressources du système

Les services :

  • Assister le programmeur dans la création de programmes

  • Exécution de programmes

  • Accès aux périphériques

  • Accès contrôlés aux fichiers

  • Accèus au système

  • Detection d’erreur et réponse

  • Statistiques (sur les ressources et leurs taux d’utilisation)

La mémoire principale héberge une partie du système d’exploitation (la plus utilisée) : le noyau.

Les différents types de systèmes d’exploitation :

  • Système à traitement par lots multiprogrammés : système actuels, le processeur effectue plusieurs programmes en meme temps : système mutitâche. Principal objectif : utiliser le processeur au maximum…

  • Système à temps partagé : plusieurs utilisateur simultanés (via terminaux) sur un serveur. Le système d’exploitation entrelace l’exécution des porgrammes de chaque utilisateur. Principal objectif : minimiser le temps de réponse. Sources des directives : commandes saisies sur terminal.


Ordonnancement
L’ordonnacement des tâches est l’une des tâches les plus importantes du système d’exploitation. Le système interrompt de temps en temps certains processus pour partager équitablement les tâches.

Chaque requête de processus est placée dans la file d’attente à long terme. Lorsqu’une place se libère dans la file d’attente à court terme, la requête est transformée en processus et placée dans la file d’attente à court terme.

Le processeur passe de l’exécution de A à B si :

  • A émet un appel de service (une requête par exemple)

  • A provoque une interruption

  • Une opération E/S de B s’achève : une interruption E/S vient d’être reçue du module E/S

Sauvegarde des données contextuelles de A. Eventuellement restauration des données contextuelles de B. Exécution de B. une fois B terminée, le système d’exploitation revient à A.

Le processeur alterne entre l’exécution du système d’exploitation et des processus utilisateur. Lorsque c’est au tour du système d’exploitation, il choisit le prochain processus dans la file d’attente à court terme. Chaque tâche a une priorité, le système d’exploitation est chargé d’orienter le processeur vers les tâches les plus urgentes.
La gestion mémoire
La file d’attente à long terme est en général sur le disque. La file d’attente à court terme est dans la mémoire principale. Permutation :

  • Un processus de la d’attente à court terme est en attente d’une opération d’E/S, il est placé sur une file d’attente intermédiarie située sur le disque

  • Le système d’exploitation amène alors en mémoire principale un autre processus du disque

Partitionnement de la mémoire :

  • Partitions de tailles fixes : gaspillage de la mémoire : certaines zones sont non utilisées.

  • Partitions de tailles variables bien plus efficace : allocation de la taille exactement requise pour chaque processus de la mémoire. Néanmoins, à force de permuter des processus, on peut avoir certains trous. Compactage : le système d’exploitation déplace les processus.

Les unités de programmes sont des pages. Les cadres disponibles dans la mémoire sont des pages mémoires. Les pages sont affefctées à des pages mémoires :

  • Possibilité de charger le programme par morceau

  • Le système d’exploitation tient à jour une table des pages pour chaque processus.

La mémoire virtuelle repose sur la pagination à la demande :

  • La page d’un programme n’est appelée que lorsque l’on en a besoin

  • Seules quelques pages sont en mémoire principale

  • La taille d’un processur peut être supérieur à la taille de la mémoire principale

  • Un utilisateura l’impression d’avoir à faire à une mémoire beaucoup plus grande qu’elle n’est réellement : c’est la mémoire virtuelle.


L’ORDINATEUR.


  • Fonction d’un ordinateur.

  • La mémoire c ache

  • La mémoire interne

  • La mémoire externe

  • Les Entrées/Sorties

  • Support du système d’exploitation.

FONCTION.

  • Exécuter des programmes.

  • Les porgrammes se composent d’un ensemble d’instructions.

  • Les instructions sont rangées en mémoire.

  • Les composants :

    • Processeur = calcul

    • Mémoire = stockage de données a long et court terme.

    • Module E/S =

    • Bus système = prend en charge toute les communications au sein de l’ordinateur.


Faire un schéma fonctionnel d’un ordinateur à partir de la description faite ci-dessus.




Le processeur lit une à une les instructions dans la mémoire et les exécute.

Le cycle d’instruction est le traitement nécesaire pour une instruction.

  • Lecture d’une instruction

  • Lecture d’une ou plusieurs opérandes

  • Rangement d’une ou plusieurs opérandes.

  • Test d’interruption


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

  • Il est incrémenté à chaque lecture.

Le processeur place l’instruction dans le CP dans le RI (Registre Interne) et incrémente le CP.

Puis il traite l’instruction.
L’instruction peut être :

  • Une lecture ou une écriture mémoire

  • Une lecture ou une écriture dans les E/S

  • Un traitement arithmétique te logique des données

  • Un contrôle : La prochaine instruction est a l’adresse …

    • (Cas des instructions conditionnelles et des appels de sous-programmes).



Une interruption comme (son nom l’indique) interrompt le cycle d’instructions ou le programme en cours d’exécution.

Les interruptions peuvent être :

  • Une interruption programme

    • Dépassement de capacité

    • Division par 0

    • Instruction légale

  • 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 périphériques E/S il y un gestionnaire d’interruption

Un périphéique E/S peut être :

  • Une imprimante

  • Un disque

  • Un modem

  • Un clavier

  • Une souris


Les différentes structures de bus :

  • Les lignes de données :

    • Transmettent uniquement des données.

    • Déterminent les performances.

  • Les lignes d’adresse :

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

  • Les lignes de contrôles :

    • 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 rajoutés 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

    • Meilleures performances que le bus système


MEMOIRE CACHE
Pour améliorer les performances.

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

De manières 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 trouve le 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 charge auparavant un bloc dans le cache.

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

Il est fort possible 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

  • Pour stocker toute les données nécessaires.

Le cache doit être suffisamment réduit

  • Pour permettre d’accéder aux informations rapidement.


Hiérarchie des caches.
Power PC G4.

  • 1 cache internet : cache L1

    • Un cache pour les données de 32 Ko

    • Un cache pour les instructions de 32 Ko

  • 2 Caches externes

    • Cache L2 : Cache mixte (données et instruction) de 256 Ko à 1 Mo.

    • Cache L3 : Cache mixte (Données et instructions)


Pentium 4 :

  • 1 Cache interne : cache L1

    • Un cache pour les données de 8 Ko

    • Un cache pour les instructions de 8 Ko.

  • Un cache externe : Cache L2.

    • Un cache mixte (Données et instructions) de 256 Ko.


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.


LA MEMOIRE INTERNE.
C’est la mémoire principale de l’ordinateur.

  • On l’appelle la DRAM (Dynamic Random Access Memory).

  • Mémoire vive interne

  • L’information est une charge életrique sur un condensateur

  • Cette charge diminue avec le temps et doit être rafraîchies régulièrement.

  • Une valeur seuil dtermine si c’est un 1 ou un 0 pour le bit.

  • L’information s’efface avc le temps :

    • Il est utile d’attendre 20 secondes entre chaque allumage d’un ordi pour bien effacer tout.


DRAM Synchrone. (SDRAM).

  • Echange les données avec le processeur en synchronisation avec une horloge interne

  • Quand une requete est faite par le processeur, le nombre de cycle au bout duquel la DRAM aura fait l’action est connu par avance.

    • Le processeur peut donc continuer a travailler

  • La SDRAM peut envoyer des données en rafale.

  • Aujourd’hui la DDR-SDRAM peut envoyer des données vers le processeur 2 fois par cycle (contre 1 pour la SDRAM)


DRAM RAMBUS. (RDRAM) de Intel

  • Principale concurrente de la SDRAM.

  • Basée sur un bus interne qui définit la vitesse de transmission

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

    • Gain de temps

    • Vitesse du Bus : 800 Mbit/s


DRAM Cache (CDRAM) de Mitsubishi

  • Elle incluse un 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.


STATIC RANDOM ACCES MEMORY.

  • Mémoire vive interne statique

  • La plus rapide à se décharger. 

  • Tout disparaît lorsque l’alimentation est coupée.

  • Utilisée pour le cache, afin de ne pas avoir de données parasites


ROM (Read-Only Memory)

  • Mémoire morte

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

  • Elle sert aux :

    • Sous-programmes des bibliothèques pour les fonctions fréquemment utilisées.

    • Programmes du système

    • Tableaux de fonctions.


PROM

  • Programmable ROM

  • ROM programmable une seule fois


EPROM

  • Erasable PROM

  • ROM effaçable et reprogrammable globalement et électriquement (par rayonnement UV).


EEPROM

  • Electrical EPROM

  • EPROM programmable octet par octet.


MEMOIRE FLASH

  • PROM effaçable par bloc.


LA MEMOIRE EXTERNE.
Différents types de mémoirés externe :

  • Disque magnétique :

  • Technologie RAID (sans perte)

  • Mémoire optique (CDROM, DVDROM)

  • Bande magnétique (cassette)

  • Mémoire flash externe (Clé USB, cartes mémoires…)


DISQUE MAGNETIQUE :
Aspect physique :

  • C’est un plateau rond composé

  • D’un matériau non magnétique

  • Recouvert d’un plateau


Les données sont enregistrées puis récupérées 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, on à une tête de lecture et une tête d’écriture.
Sur la plateau, les données sont organisées en anneaux concentriques : les pistes

Largeur d’une piste = largeur de tête.

Une surface contient des milliers de pistes

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

Quelques centaines de secteurs par piste

La longueur d’un secteur est fixe : 512 octets.

Les secteurs adjacents sont séparés par les espaces intersecteur.

Des marqueurs invisbles à l’utilisateur délimitent chaque secteur :

  • Début

  • Taille

  • Identifiant du secteur

  • Numéro de piste

  • Fin.


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