Support de cours de la matière : Architecture des Ordinateurs (AO)








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Support de cours de la matière : Architecture des Ordinateurs (AO)

Chapitre I : Machine de Von Neumann

I.1 Introduction :

Le modèle sur lequel sont basés les ordinateurs actuels est dû aux travaux de John Von Neumann, publiés en 1946. Depuis ce temps, l’architecture des ordinateurs est restée pratiquement inchangée.
Un ordinateur, suivant le modèle de Von Neumann consiste en une mémoire et un processeur (figure 1.1)

Processeur

Mémoire
Bus

Figure 1.1 Modèle de Von Neumann

La mémoire contient les données et les programmes.

Les différentes unités de l’ordinateur sont interconnectées par des systèmes de câblage transportant des signaux électriques, ces systèmes sont appelés “bus” par analogie avec les transports publics. Donc un bus est un ensemble de lignes capables de transmettre des signaux correspondant à trois types d’informations : adresses, données, et commandes.

I.2 Le processeur :

Le processeur (UCT pour Unité centrale de traitement) ou CPU (Central Processing Unit) est l’élément moteur de l’ordinateur qui interprète et exécute les instructions du programme. Son mode de fonctionnement est le suivant :

  • Extraire et décoder une instruction (phase de recherche ou fetch).

  • Exécuter l’instruction extraite (phase d’exécution).

  • Identifier la prochaine instruction.


Avec cette simple séquence d’opérations répétée à l’infini, un processeur est capable d’exécuter un programme, quelque soit sa complexité. C’est ce qui fait l’attrait du modèle de Von Neumann. Ce mécanisme d’interprétation est resté inchangé.
Le processeur se compose de deux unités fonctionnellement séparées :

  1. Unité arithmétique et logique (UAL).

  2. Unité de commande (UC).


I.2.1Unité arithmétique et logique :

L’UAL est la zone du CPU où les opérations arithmétiques et logiques sont réalisées. L’UAL opère sur les registres généraux du processeur ainsi que sur les registres spéciaux (invisibles pour les programmes) utilisés pour les calculs, par exemple le registre d’état contient des indicateurs (flags) sur le résultat de la dernière opération exécutée. Par exemple, l’indicateur Z (comme zéro) est positionné à 1 si le résultat de la dernière est nul.
Tout traitement de données a lieu dans l’UAL. Cette partie du CPU, où se trouvent tous les circuits capables d’effectuer les opérations élémentaires qui sont à la base de tout algorithme, est totalement asservie à l’unité de commande. C’est précisément cette dernière qui déclenche, contrôle et synchronise toute activité de l’UAL.
I.2.2 Unité de commande :

C’est la partie du processeur chargée d’ordonnancer les différentes étapes du traitement d’une instruction. Le fonctionnement peut être décrit de la façon suivante : l’unité de commande va chercher en mémoire centrale une instruction en envoyant une adresse et une commande à la mémoire. L’instruction, enregistrée sous forme binaire à l’adresse donnée, et transférée vers l’unité de commande, où son décodage permet de déterminer l’opération demandée. Cette information est utilisée pour générer les signaux nécessaires à l’UAL pour déclencher l’exécution de l’instruction. Les données à traiter sont aussi cherchées en mémoire par l’unité de contrôle et transférées directement à l’UAL.
Pour ce travail, le processeur requiert des petites mémoires propres (indépendamment de la mémoire principale). Cette mémoire à accès très rapide lui permet de stocker des résultats temporaires ou des informations de commande. Cette mémoire est formée de quelques registres. Chaque registre ayant une fonction particulière.
Les principaux dispositifs de l’unité de commande, qui entrent en jeu lors de la recherche en mémoire et du décodage d’une instruction (cycle de recherche), sont :


  • Le compteur ordinal (CO), qui est un registre contenant l’adresse en mémoire où est stockée l’instruction à chercher ;

  • Le registre instruction (RI), qui reçoit l’instruction qui doit être exécutée ;

  • Le décodeur de code opération, qui détermine quelle opération doit être effectuée, parmi toutes les opérations possibles ;

  • Le séquenceur, qui génère les signaux de commande ;

  • L’horloge, qui émet des impulsions électroniques régulières, synchronisant ainsi toutes les actions de l’unité centrale.



Registres généraux

Registres spéciaux

Mémoire

UAL

Unité de commande


Figure I.2 Schéma général d’un ordinateur

I.3 Mémoire :

La mémoire est la partie de l’ordinateur dans laquelle programmes (instructions) et données sont stockées.

Les instructions sont stockées sous forme de code machine. Par exemple, une instruction d’addition, dans un Intel 8086, est codée : 10000001. Les données sont stockées selon d’autres codes. Par exemple, dans le code ASCII (American Standard Code for Information Interchange) le caractère Y est codé ainsi : 1011001.

I.3.1 Hiérarchie des mémoires :

Dans un ordinateur il y a différents niveaux (types) de mémoire organisés selon la hiérarchie schématisée dans la figure suivante :

1.png

Figure I.3 : Principaux niveaux de mémoire d’un ordinateur.

Les différentes mémoires sont ordonnées en fonction des critères suivants : temps d’accès, capacité et coût par bit.

Plus on s’éloigne du CPU vers les mémoires auxiliaires, on constate que le temps d’accès et la capacité des mémoires augmentent, mais le coût par bit diminue.

Les éléments de mémoire situés dans le CPU sont les registres qui sont caractérisés par une grande vitesse et servent principalement au stockage des opérandes et des résultats intermédiaires.

L’antémémoire ou mémoire cache est une mémoire rapide de faible capacité (par rapport à la mémoire centrale) utilisée comme mémoire tampon entre le CPU et la mémoire centrale. Cette mémoire permet au CPU de faire moins d’accès à la mémoire centrale et ainsi de gagner du temps.

La mémoire centrale est l’organe principal de rangement des informations utilisées par le CPU. Pour exécuter un programme, il faut le charger (instructions + données) en mémoire centrale. Cette mémoire est une mémoire à semi-conducteurs, mais son temps d’accès est beaucoup plus grand que celui des registres et du cache.

La mémoire d’appui sert de mémoire intermédiaire entre la mémoire centrale et les mémoires auxiliaires. Elle est présente dans les ordinateurs les plus évolués et permet d’augmenter la vitesse d’échange des informations entre ces deux niveaux.

Les mémoires auxiliaires, appelées aussi mémoires de masse (dont les mémoires d’archivage), elles servent d’éléments de stockage permanent et utilisent pour cela des supports magnétiques (disques, tambours, bandes) et des supports optiques (disques optiques).

I.3.2 Caractéristiques des mémoires :

  • Adresse : La mémoire centrale est divisée physiquement en cellules. Chaque cellule correspond à un mot-mémoire et possède une adresse (valeur numérique) qui lui est propre (ex : adresse d’un mot mémoire centrale). Ainsi les cellules peuvent être adressées séparément pour une opération de lecture ou d’écriture.

  • Capacité ou taille mémoire : elle correspond au nombre d’informations qu’elle peut contenir. On peut exprimer cette valeur en fonction du nombre de bits, de bytes ou de mots (ex : mémoire centrale de 8 Méga mots de 32 bits ou disque magnétique de 2 Gbytes). La longueur d’un mot-mémoire varie d’une machine à l’autre, par exemple : 1, 4, 8, 12, 16, 24, 32, 48, 60, 64 bits. La valeur 32 tend à se généraliser dans la plupart des ordinateurs. La longueur du mot-mémoire est une caractéristique importante de l’architecture d’un ordinateur et reflète la structure des différents composants fonctionnels (principalement de l’unité centrale).

  • Temps d’accès : c’est la le temps qui s’écoule entre le lancement d’une opération d’accès (lecture ou écriture) et son accomplissement.

  • Cycle mémoire : c’est le temps minimal s’écoulant entre deux accès successifs à la mémoire. Il est plus long que le temps d’accès, car le bon fonctionnement de la mémoire nécessite quelques opérations de maintien, de stabilisation des signaux dans les circuits, de synchronisation, etc.

  • Débit : c’est le nombre d’informations lues ou écrites par seconde (par exemple, unité de bande magnétique avec un débit de 3 Mbytes/seconde).

  • Volatilité : elle caractérise la permanence des informations dans une mémoire. Une mémoire volatile perd son contenu lorsque l’on coupe le courant, celle-ci a donc besoin d’un apport constant d’énergie électrique pour conserver ses informations. La mémoire centrale à semi-conducteurs est volatile alors que les mémoires auxiliaires magnétiques ne le sont pas. On peut réaliser des mémoires non volatiles à semi-conducteurs, moyennant une petite batterie.

I.3.3 différents types d’accès aux mémoires :

  • Accès séquentiel : c’est l’accès le plus lent, pour accéder à une information particulière, on est obligé de parcourir toutes celles qui la précédent (par exemple, les bandes magnétiques).

  • Accès direct : les informations ont une adresse propre, ce qui permet de les accéder directement (par exemple : mémoire centrale, registres).

  • Accès semi-séquentiel : c’est une combinaison des accès direct et séquentiel (par exemple, pour un disque magnétique, l’accès au cylindre est direct et l’accès au secteur séquentiel).

  • Accès par le contenu (mémoire associative) : les informations sont identifiées par une clé et la recherche s’effectue sur cette clé de façon simultanée sur toutes les positions de la mémoire (par exemple : l’antémémoire).

Chaque case d’une mémoire associative comprend deux champs correspondant à la clé et à l’information associée à cette clé (figure I.4). Dans le cas de l’antémémoire, la clé est constituée par l’adresse en mémoire centrale de l’instruction ou la donnée cherchée et l’information associée est constituée de l’instruction ou la donnée elle-même.

La recherche par clé dans la mémoire associative ne s’effectue pas de manière séquentielle, mais en parallèle sur toutes les cases de la mémoire associative. En un accès, on sait si l’instruction cherchée se trouve ou non dans l’antémémoire. Si l’on considère la mémoire associative de la figure I.4, les clés sont des noms des pays, alors que l’information associée à chaque clé est une ville de ce pays.

111.png

Figure I.4 Schéma comparatif de l’adressage de la mémoire centrale et de l’antémmémoire

Si l’on interroge cette mémoire avec la clé RWANDA, on compare ce nom avec tous les noms contenus, chaque cellule a son propre circuit comparateur, et ainsi en un seul accès, on a l’information associée à cette clé, dans notre exemple la ville KIGALI.

I.3.4 Mémoires à semi conducteurs :

Les mémoires à semi conducteurs constituent les éléments de base de toute mémoire centrale. Les mémoires à semi conducteur peuvent être divisées en deux grandes parties : les mémoires vives et les mémoires mortes (ROM).

Mémoire Vive ou RAM (Random Access Memory) : est une mémoire à accès aléatoire, le temps d’accès est indépendant du numéro de la cellule adressée. On distingue deux types de mémoires RAM, les SRAM et les DRAM :

  1. SRAM (Static RAM) :

Chaque bit d'une SRAM est formé par une bascule constituée par 4 à 6 transistors.

L'information stockée peut être maintenue sans dégradation pendant une centaine d'heures.

L'intérêt de ce type de mémoire est sa vitesse (quelques ns) mais son cout est prohibitif, en

effet on utilisera la SRAM lorsque le facteur vitesse est critique et notamment pour des mémoires de petite taille comme la mémoire cache.


  1. DRAM (Dynamic RAM) :

Chaque bit d'une DRAM est constitué par un transistor et un condensateur.

L'inconvénient des DRAM est que le condensateur possède une tendance naturelle à se décharger. Pour que l'information reste cohérente, on va devoir réaliser un rafraîchissement

de la mémoire toutes les quelques millisecondes. Ce rafraîchissement consiste à lire et à réécrire la donnée.
Etant donné les caractéristiques des SRAM et DRAM, on peut en déduire les propriétés

suivantes :

la SRAM est rapide mais chère

la DRAM est lente mais bon marché
Mémoire morte : on peut distinguer les mémoires suivantes :
ROM (Read Only Memory) est une mémoire morte. C'est-à-dire une mémoire où l’on peut lire uniquement, l’écriture étant impossible. Ce sont des mémoires non volatiles, rogrammées par le fabricant. Elles permettent un stockage permanent même en l’absence d’alimentation électrique ;

L’information est stockée au moment de la conception du circuit d’une manière définitive.
PROM (Programmable ROM) Permet une écriture unique mais faite par l’utilisateur au moyen d’une machine spéciale s’appelant un programmateur de PROM.
EPROM (Erasable Programmable ROM) sont aussi appelées REPROM (REProgrammable ROM). Le principe est le même que celui des PROM, mais elles offrent en plus la possibilité de pouvoir être effacées un certain nombre de fois. L’effacement se fait par exposition aux rayons ultra-violets. Le temps d’exposition est de l’ordre de 30 minutes. Ces mémoires sont utilisées lors de la mise au point de programmes.
EAROM (electrically Alterable ROM) suivant le même principe que celui des EPROM, elles sont reprogrammables par l’utilisateur mais elles sont à effacement éléctrique. De plus l’effacment est sélectif et l’effacement total ne demande pas plus d’une minute. On trove aussi les appelations EROM (electrically Erasable ROM) et EEPROM.

Mémoires Vives

Accès aléatoires

RAM

Accès séquentiels (piles)

FIFO

LIFO

Statique

Dynamique

Volatile

Non Volatile

Mémoires à semi-conducteur

Mémoires mortes

ROM

PROM

EPROM

EEPROM

EAPROM

OTPROM

I.3.4 Les adresses mémoires :

Une mémoire est formée d’un certain nombre de mots (ou cases). Un mot mémoire est un ensemble de bits (contenu : instruction ou donnée). Chacun de ces mots a un numéro que nous appellerons son adresse, qui permet à un programme de le référencer. Si une mémoire a n mots, les adresses iront de 0 à n-1. Toutes les cases de la mémoire contiennent le même nombre de bits, par exemple k bits, ce qui permet de représenter 2k combinaisons différentes.

Exemple :

Trois organisations différentes d’une mémoire à 96 bits



Dans (a) on a 12 mots (ou unités adressables) de 8 bits.

Dans (b) on a 8 mots (ou unités adressables) de 12 bits.

Dans (c) on a 6 mots (ou unités adressables) de 16 bits.
Les adresses sont exprimées en binaire et par convention commencent par 0.

Si une adresse a m bits, le nombre maximum de mots mémoire directement adressable est 2m. Le nombre de bits de l’adresse ne dépend que du nombre de cellules (mots) adressables et non de leur taille.

Par exemple : une mémoire de 212 cellules de 8 bits chacune et une mémoire de 212 cellules de

64 bits chacune nécessite toutes les deux des adresses à 12 bits.


Si n=nombre de bits d’adresse taille de la MC=2n unités adressables (UA).

Si la taille de la MC=2n UA la taille de l’adresse =n=log22n.

Un registre est une cellule mémoire ayant une fonction particulière. Dans la mémoire centrale on trouve deux types de registres ; le registre d’adresse qui contient l’adresse d’un mot-mémoire et le registre mot qui contient le contenu d’un mot-mémoire. Un registre mot a la même taille qu’un mot-mémoire, alors qu’un registre d’adresse doit permettre d’adresser tous les mots de la mémoire.

Exemple :

Si la mémoire comporte 256 mots, le registre d’adresse doit avoir log2 (256) = log2 (28) = 8 bits. Un registre d’adresse de 32 bits permet d’adresser 232 = 4 294 967 296 mots différents (4 G mots).


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