Architecture des équipements informatiques. M1103 Michel Gautero

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1 Architecture des équipements informatiques Architecture des équipements informatiques M1103 Michel Gautero

2 Sommaire Historique Architecture générale Codage des nombres et caractères Opérations logiques Applications à la programmation Continue en M1207

3 Notation 1 contrôle en TD : 1 contrôle en amphi : Codage et logique Application à la programmation Appréciation : Contrôles réguliers, ou pas, du travail effectué.

4 Introduction - Historique (1) 1946, premier «ordinateur», L'ENIAC : Electronic Numerical Integrator and Computer tubes, 30 tonnes, 72 m2, 140 kilowatts. Horloge : 100 KHz. Vitesse : environ 330 multiplications par seconde 1952, premier IBM, IBM 701 : Mémoire à tubes cathodiques de 2048 ou 4096 mots de 36 bits additions ou 2200 multiplications par seconde. 4 / 57

5 Introduction Historique (2) ENIAC IBM / 57

6 Introduction - Historique (3) 1955, IBM 704 : Coprocesseur mathématique 5 KFLOPs mots de 36 bits 3 fois plus rapide que l'ibm 701 Fiable : une panne par semaine... 6 / 57

7 Introduction - Historique (4) 1956 : premier ordinateur à transistors, nouvelle génération de machines. La même année, premier disque dur : 5Mo, 61cm de diamètre, destiné aux réservations aériennes d'american Airlines : premier circuit intégré 1959 : création du PDP-1 par Digital, premier ordinateur commercial interactif 7 / 57

8 Introduction - Historique (5) 1962 :invention en France du mot «informatique» : science du traitement de l'information et des ordinateurs :le super ordinateur, CDC 6000, par S. Cray a une puissance de 3 MIPS. 8 / 57

9 Introduction Historique (6) 1965 : PDP-8 de Digital transportable dans une voiture, 5 fois moins cher (18000$) que le moins cher des IBM 0,9 MIPS 1967 : premier lecteur de disquette (IBM) 9 / 57

10 Introduction Historique (7) 1967 : ordinateurs vendus 1968 : première calculatrice HP, 20Kg :première puce mémoire par Intel 128 octets, 0,5x0,5mm Vs tores de ferrite, 10cmx10cm 10 / 57

11 Introduction Historique (8) 1971 : Invention d'unix (Bell Labs) Vente du premier microprocesseur - Intel : 4bits à 108Khz 640 octet de mémoire 0,06 MIPS 2300 transistors 200$ 11 / 57

12 Introduction Historique (9) 1971 : première imprimante laser (Xerox) 1972 : Intel sort le 8008, 8 bits, 200Khz, accède à 16ko de mémoire premier lecteur de disquette 5'' ¼ première calculatrice programmable HP, HP65 12 / 57

13 Introduction Historique (10) 1973 : Le Micral, à base de 8008, est le premier microordinateur et est français Le terme micro-ordinateur naît IBM invente l'ancêtre du disque dur actuel. 13 / 57

14 Introduction Historique (11) 1976 : Texas Instrument, 1er microprocesseur 16bits Zilog commercialise le Z80, processeur 8bits Présentation du prototype de l'apple II Le DoD expérimente TCP/IP 14 / 57

15 Introduction Historique (12) 1977 : Première console de jeu Atari 1978 : Micro Atari 400 et Atari 800, 6502A, 10ko de rom, 8 ou 16ko de ram Premier traitement de texte pour micro, wordstar Livre «le langage C» de Kerninghan et Richtie 15 / 57

16 Introduction Historique (13) 1979 : Lancement de Space Invaders Apple II Plus, 48ko de ram pour 1195$ Lancement du (16/32 bits) par Motorola 16 / 57

17 Introduction Historique (14) 1980 : Acorn sort l'atom, 6502 à 1Mhz, 4ko de rom, 2ko de ram, 128x192 en 4 couleurs Premier disque dur 5'' ¼ par Seagate 1981 : Sinclair lance le zx81, z80a, 4ko de rom, 1 à 48ko de ram, 200$ 17 / 57

18 Introduction Historique (15) 1981 : Premier tableur pour PC, Lotus : par Intel, 16bits, 6Mhz, transistors, 0,9Mips, 16Mo de mémoire possible. Zx Spectrum, Z80a, 3,5Mhz, 16ko de rom, 48ko de ram, 256x192 en 8 couleurs 18 / 57

19 Introduction Historique (16) 1984 : Sortie du Macintosh, 68000, 8Mhz, 128Ko de ram, 64Ko de rom, lecteur 3'' ½ de 400Ko, souris, écran 9'' de 512x384 1ère interface graphique 2500$ 19 / 57

20 Introduction Historique (17) 1984 : Première station de travail avec 3D intégré par Silicon Graphics Commercialisation du SGBD Dbase III 68020, processeur 32bits par Motorola IBM PC At : à 6Mhz, 256Ko de ram, disque dur de 20Mo pour 6700$ Hp vend une imprimante laser de 300 dpi pour 3600$ Premier lecteur de cdrom pour ordinateur : 1000$ 20 / 57

21 Introduction Historique (18) 1986 : Commercialisation du premier processeur RISC Compaq sort un compatible Pc avec un Apple lance le Mac Plus, de 1 à 4Mo de ram, lecteur de disquette 3'' ½ de 800Ko, interface SCSI et interface réseau Appletalk Commercialisation de la Connection Machine, massivement parallèle avec processeurs. 21 / 57

22 Introduction Historique (19) 1996 : Début 2000 : Sortie de la voodoo1 de 3Dfx, pour gérer la 3D Sortie de l'usb 1.0 Sortie de carte mère multi-processeurs Sortie des processeurs multi-coeurs 2007 : Arrivée du GPGPU (General-Purpose Processing on Graphics Processing Units) 22 / 57

23 Le niveau matériel Généralités et bus Les autres aspects La mémoire Les mémoires de masse L'affichage Le processeur 23 / 57

24 Carte iphone 5 24 / 57

25 Carte Rasperry Py 25 / 57

26 Le niveau matériel 26 / 57

27 Le niveau matériel Port série, Ports PS2 remplacés par l'usb Ports S/PDIF, port firewire moins fréquents Multiplication des ports USB (2.0, 3.0) Apparition Thunderbold 27 / 57

28 Le niveau matériel - Autres aspects (1) Son : On est passé du bip du début À de la musique de bonne qualité Par ajout d'une carte À des composants intégrés à la carte mère 28 / 57

29 Le niveau matériel Autres aspects (2) Réseau : De l'absence à À des cartes Ethernet 10, 100, 1000 Mbits Externes puis intégrées à la carte mère Et d'autres protocoles (WiFi, Bluetooth) 29 / 57

30 Le niveau matériel - L'affichage Amélioration des processeurs graphiques : Traite uniquement le texte Puis le graphisme en 2D Et enfin le graphisme en 3D Augmentation de la mémoire : De qq ko à qq Go Bus vidéo dédiés : AGP / PCIe 16x Utilisation des processeurs graphiques (GPU) 30 / 57

31 Le niveau matériel La mémoire vive La RAM (Random Access Memory) appelée mémoire vive Contient programme et donnée pendant l'exécution Se vide quand l'ordinateur s'éteint (ou redémarre...) 31 / 57

32 Le niveau matériel - La mémoire vive On est passé : Des décomptes en Ko du départ À des décomptes en Go aujourd'hui Différents types de mémoires: DRAM EDO(1990, 50 à 60ns, 264Mo/s) SDRAM (1997, 10ns, 1064Mo/s) DDR-SDRAM (2003, de 2,1 à 4,5Go/s) DDR2-SDRAM (2006, de 3,2 à 9,6 Go/s), DDR3-SDRAM (2007, de 6,4 à 12,8Go/s) 32 / 57

33 Le niveau matériel La mémoire vive 33 / 57

34 Le niveau matériel La mémoire morte La ROM (Read Only Memory) Appelée mémoire morte Contient les informations de démarrage Peut contenir des briques de programmes (premiers macintosh) Souvent confondue avec la NV-RAM (Non Volatile RAM) 34 / 57

35 Le niveau matériel Démarrage Démarrage : BIOS : Basic Input Output System Stocker en ROM et EEPROM Assurer le démarrage Assurer une interface avec le matériel Secteur de boot : MBR (Master Boot Record) 4 partitions principales 35 / 57

36 Le niveau matériel Démarrage Démarrage : EFI (Extensible Firmware Interface) : Successeur du BIOS Nombreuses améliorations : Fonctions réseau Interface graphique Nouveau système de partitionnement : 128 partitions principales Mode sécurisé : seuls les systèmes autorisés fonctionnent 36 / 57

37 Le niveau matériel La mémoire cache SRAM (Static Random Access Memory) S'intercale entre le processeur et la mémoire vive On parle de cache de niveau 1, 2 et 3 Bien plus rapide que la RAM Bien plus chère 37 / 57

38 Le niveau matériel - Mémoires de masse Disquettes : De 140Ko à 1200Ko Accès (100ms), transfert : 60ko/s Disques dur : De quelques Mo à 2To Intègrent une mémoire cache Accès (13ms), transfert : 200Mo/s 38 / 57

39 Le niveau matériel Mémoires de masse Interfaces : IDE ou P-ATA: la plus ancienne, totalement disparue. E-IDE ; légère évolution, disparue. S-ATA : I, II, III, la norme actuelle. On est passé : D'une interface parallèle (IDE, 133Mo/s max) À une interface série (SATA, 600Mo/s max) 39 / 57

40 Le niveau matériel Mémoire de masse Les SSD : Solid State Drive Disque dur sans partie mécanique Une sorte de clé USB plus évoluée : Qualité gestion 40 / 57

41 Le niveau matériel 41 / 57

42 Le niveau matériel - Les bus Relient différents parties de la carte mère Plusieurs bus importants : Bus système Bus d'extension ou d'entrées/sorties ISA, PCI, PCi-Express Bus vidéo : ISA, PCI, AGP, PCI-Express 42 / 57

43 Le niveau matériel Les bus Chaque bus est composé de trois parties : Bus de données : 8, 16, 32, 64, 128bits : Bus d'adresses : 8, 16, 32, 64 bits Celui qui véhicule l'information Celui qui véhicule l'adresse d'une information Bus de commandes : Celui qui véhicule les commandes de gestion du bus 43 / 57

44 Le niveau matériel Les bus ISA : Bus d'origine du PC Bus de données de 8 puis 16 bits à 4,77 et 8Mhz Configuration manuelle des cartes d'extension. Bande passante : 16Mo/s N'apparaît plus sur les Pcs actuels 44 / 57

45 Le niveau matériel Les bus PCI : Arrive vers 1994 Bus de données de 32 bits à 33Mhz Plug & Play (en principe) Bande passante : 133Mo/s N'apparaît plus dans les Pcs actuels 45 / 57

46 Le niveau matériel Les bus AGP : Bus dédié aux cartes graphiques, arrivé en 97 4 versions : 1x, 2x, 4x et 8x Bus de données de 32 bits, à 66, 133 et 266Mhz (gère le double d'infos) Bande passante : de 266Mo/s à 2Go/s A disparu des Pcs 46 / 57

47 Le niveau matériel Les bus Pci-Express (PCIe) : Arrive en versions : 1.1, 2.0, 3.0 Bus série, de 1 à 32 canaux, full duplex Jusqu'à 8Go/s (250Mo/ligne) Connecté : North Bridge, SouthBridge, Processeur Le bus actuel 47 / 57

48 Le niveau matériel - Le processeur Loi de Moore 48 / 57

49 Le niveau matériel Le processeur Année Nom Transistors en millions Nb coeur MIPS 2009 Core i Core 2 duo Pentium Pentium III 9, DX2 1, / 57

50 Le niveau matériel Le processeur Plusieurs types d'architecture : CISC : Complex Instruction Set Computer RISC : Reduced Instruction Set Computer VLIW : Very Long Instruction Word 50 / 57

51 Le niveau matériel Le processeur Rechercher l'instruction Décoder l'instruction Exécuter l'instruction (ALU ou Unité Arithmétique et Logique) Écrire le résultat 51 / 57

52 Le niveau matériel Le processeur Historiquement 52 / 57

53 Le niveau matériel Le processeur Actuellement 53 / 57

54 Le niveau matériel Le processeur Fonctionnement basique : Temps Instructions R1 D1 E1 S1 R2 D2 E2 S2 R3 D3 E3 S3 54 / 57

55 Le niveau matériel Le processeur Fonctionnement avec pipeline : Temps Instructions R1 D1 E1 S1 R2 D2 E2 S2 R3 D3 E3 S3 R4 D4 E4 S4 On peut avoir des superpipelines : augmentation du nombre d'étages du pipeline 55 / 57

56 Le niveau matériel Le processeur Fonctionnement vectoriel : SIMP : Single Instruction Multiple Datas MIMP : Multiple Instructions Multiple Datas Cartes graphiques : SIMP Processeur multi-coeurs : MIMP 56 / 57

57 Le niveau matériel Le processeur Le processeur travaille en binaire : Tout est codé sous forme de 0 et 1 (base 2) L'élément de base est le bit (valeur 0 ou 1) Regroupés en octets : 1 octet = 8 bits Regroupés en mots de 8, 16, 32 ou 64 bits Donc 1, 2, 4 ou 8 octets On parle parfois de base 8 (octal), de base 16 (hexadécimal) 57 / 57