Architecture des ordinateurs module I303

Transcription

1 Architecture des ordinateurs module I303 B. Miramond www-etis.ensea.fr/members/bmiramond/cours/enseignement.html

2 3 niveaux de travail Comprendre plus loin Un métier Pour savoir faire Un diplôme Pour comprendre Pour la note Vous êtes ici 2

3 Objectif du module Théoriquement Comprendre les mécanismes matériels essentiels de l informatique. Comprendre l organisation de l ordinateur autour de l élément central, le processeur. Pour cela, étudier les différentes couches qui structurent la machine et la philosophie de son utilisation. En bref, du circuit numérique à l architecture processeur Pratiquement 3 Réaliser un simulateur de processeur 4 bits

4 Programme du module 4

5 Architecture des ordinateurs Introduction & Historique 3h Cours 4h TDs Représentation des nombres Couche physique, circuits logiq. Circuits séquentiels Le chemin de donnée CC Couche micro-architecture Cycle d exécution Conclusion sur l exécution 5

6 Parcours architecture Architectures multimédia M2 Architecture avancée M1-S2 Informatique embarquée M1-S1 La programmation en assembleur L exécution des programmes L3 L2 6

7 Règles du jeu 8 séances de cours 8 séances de TDs 1 Note de Contrôle continu + 1 Projet 1 examen Note finales N = (CC + 2P)/3 7

8 Evaluation du cours Première année du cursus LMD Evaluation des séances d une semaine à l autre Quatre critères avec des notes de 1 à 3 Organisation Rapidité Difficulté Intérêt Quelle façon de le mettre en place? 8

9 Note Cette semaine CM également le Vendredi! 9

10 Pourquoi l architecture? Support de l informatique Comprendre le mécanisme d exécution des programmes Programmes = Ordres (injonctions) = langage Qu est ce qu un langage du point de vue matériel? Couple (langage, machine) La machine traduit le langage du programme, un langage = une machine Ordinateur = machine multi-couches 10

11 Couche des langages d application Niveau 5 Traduction (compilateur) Couche du langage d assemblage Niveau 4 Traduction (assembleur) Couche du système d exploitation Niveau 3 Interprétation partielle (OS) Niveau 2 Couche architecture du jeu d instruction (ISA) Interprétation (microprogramme) ou exécution directe (cablé) Niveau 1 Couche microarchitecture Matériel Niveau 0 Couche logique numérique 11

12 12

13 Chapitre 1 : L histoire de l ordinateur 13

14 Définition : L ordinateur Le terme 'ordinateur' est d origine biblique «celui qui met en ordre» (divin) ordonnateur «entrer dans les ordres», «ordination» Il a été proposé par le professeur de philologie Jacques Perret dans une lettre datée du 16 avril 1955 en réponse à une demande d IBM France 14

15 I. Génération zéro: les calculateurs mécaniques ( ) 15

16 1. Le premier calculateur a) Blaise Pascal ( ) 1642 Première calculatrice mécanique (à 19 ans) Addition, soustraction en base 10 b) Leibnitz ( ) 1670 Ajout de l opération de multiplication, et division 16

17 La pascaline 17

18 c) Charles Babbage ( ) «Machine à différence» : un seul algorithme (méthode des différences finies) pour les tables numériques pour la navigation en mer Résultats gravés sur un plateau de cuivre Machine analytique (1840) Lecture sur des cartes perforées Différents algorithmes exécutables!!! 4 parties Le magasin(la mémoire) = 1000 mots de 50 chiffres = 1,25Mo Le moulin (l unité de calcul) L entrée (lecteur de cartes perforées) La sortie (perforation ou impression) 1843 Premier programme informatique Ada Lovelace (langage d assemblage) 18

19 Charles Babbage Première machine analytique 19

20 Ada Lovelace (Byron) `Is thy face like thy mother's, my fair child! Ada! sole daughter of my house and of my heart? When last I saw thy young blue eyes they smiled' And then we parted,-not as now we part, but with a hope.' From Childe Harold's Pilgrimage, Byron, (1816), Canto III. 20

21 II. La première génération les tubes à vides ( ) 21

22 Innovation 1904 John Flemming invente le tube à vide : Interrupteur électronique (pannes fréquentes, encombrant) Alan Turing 1943 Premier calculateur numérique Resté sous silence pendant 30ans 22

23 1. Machine de Harvard «the beginning of the era of the modern computer» Ordinateur à relais Addition 1944 Howard Aiken Multiplicatio Mark 1 à Harvard n Entièrement automatique Division 16m x 2,5m 4500 Kg Démarré par un moteur 4 chevaux Logarithme 72 mots de 23 chiffres trigo Temps de cycle : 6 secondes Soit 0.16 Hz 1s 6s 15,3s 1min 1min 23

24 Mark I 24

25 2. ENIAC Mauchly et Eckert Projet de l US Army Premier ordinateur électronique Capable d être reprogrammée par branchements Vendue à $ à 1 unité 1 cycle = 200ms soit 5 cycles/sec Une multiplication de 2 opérandes à 10 chiffres prenait 14 cycles, soit 2800 us 25

26 ENIAC (1946) 30m de long 2.5m de haut tubes à vide 1500 relais 30 Tonnes 140 KW 20 registres de 10 chiffres décimaux 6000 commutateurs pour la programmation Participant : Von Neumann

27 3. La machine de Von Neumann A) Von Neumann (1903,1957) Il se greffe au projet ENIAC après 1946 Idées On peut représenter le programme sous une forme numérique et le ranger en mémoire comme les données (plus de programmation des commutateurs) Introduction de l arithmétique binaire! Ancêtre à la base des architectures actuelles Résultat : l IAS (1952) 27

28 b) Schéma de la machine de Von Neumann 5 parties La mémoire L UAL L unité de commande Les entrées Les sorties Mémoire (4096 mots de 40 bits) Unité arithmétique et logique Unité de commande Accumulateur Entrées Sorties 28

29 c) L apport de Von Neumann Le premier ordinateur à programme enregistré Le programme est traduit de manière numérique et écrit en mémoire. Pour cela, création d un jeu d instructions machine, et transformation des calculs en séries d instructions La machine devient plus flexible parce que programmable 29

30 d) Von Neumann s Bottleneck La séparation entre le CPU et la mémoire a amené à la notion de Von Neumann s Bottleneck (goulot d étranglement qu est la communication entre processeur et mémoire). Surely there must be a less primitive way of making big changes in the store than by pushing vast numbers of words back and forth through the von Neumann bottleneck. Not only is this tube a literal bottleneck for the data traffic of a problem, but, more importantly, it is an intellectual bottleneck that has kept us tied to wordat-a-time thinking instead of encouraging us to think in terms of the larger conceptual units of the task at hand. Thus programming is basically planning and detailing the enormous traffic of words through the von Neumann bottleneck, and much of that traffic concerns not significant data itself, but where to find it." 30 John Backus in his 1977 ACM Turing award lecture

31 e) Machine de Von Neumann Structure des mots mémoire mots de 40 bits : Soit 2 instructions de 20 bits Soit 1 entier signé de 40 bits Instructions composées de 2 champs 8 bits codent le type d instruction 12 bits pour spécifier (adresser) un des 4096 mots Code d instruction adressage Ex : PUSH ACC $1024 $

32 Von Neumann et sa machine 32

33 III. 2ème génération les transistors ( ) 33

34 1) Innovations A) Innovations technologiques 1948 : Invention du transistor aux Bell Labs (Bardeen, Shockley) Interrupteur commandé électroniquement Beaucoup moins encombrant que le tube B) Concepts architecturaux Programmation en langage machine Microprogrammation Représentation des nombres en virgule flottante C) Logiciel Apparition des systèmes d exploitation 34 Programmation en assembleur et FORTRAN

35 d) Le début des grandes firmes IBM (7090, 7094, 7030 ) Bull (PDP-1, PDP-8 ) DEC (TX-0, TX-2 ) CDC (6600, 6700, Cray-1 ) 35

36 IBM 7094 (uniquement les consoles ) PDP-8 36

37 IV. 3ème génération les circuits intégrés ( ) 37

38 1) Innovations A) 1961 Premiers circuits intégrés (R. Noyce) Innovations technologiques Moindre encombrement Moindre consommation Gain en performances Domination : IBM 38

39 B) Innovations architecturales Compatibilité des machines d une même gamme (IBM: System/360) Introduction du parallélisme (multiprogrammation) Systèmes à multi-processeurs C) Logiciels Langages de programmation Basic, Pascal, C, D) Exemples d architectures IBM 360, CDC 6000, PDP 11, 39

40 1) L offre d IBM: System/360 Caractéristiqu es des System/3 Performance relative Temps de cycle (ns) Mémoire max. (Ko) KHz 10 2 KHz 21 4 KHz ,5 1,6 KHz

41 IBM PDP-11

42 2) Naissance d Intel 1968 R. Noyce, G. Moore et A. Rock fondent Intel Corporation 1970 première UC composée de 2300 transistors (LSI) : le 4004 processeur 4bits 1973 le 8008 processeur 8bits 1978 le 8086 processeurs 16 bits 42

43 1971 : Premier microprocesseur Intel 4004 Microprocesseur 4 bits 108 KHz Instructions par seconde 2300 transistors 43

44 V. 4ème génération Les VLSI (1980, maintenant) 44

45 1. Innovations Densité d intégration augmente : VLSI Dizaine de milliers -> millions de transistors sur une puce Passage du centre de calcul à l ordinateur personnel Innovations architecturales réseaux d ordinateurs Concepts de parallélisme développés Logiciels 45

46 MSI ( K) LSI (10-100) VLSI 2. Evolution des Circuits intégrés Matériaux de base Silicium Motif de base transistor Gravés sur des galettes de silicium (wafer) 46

47 3. Les nouveautés 1977 Apple puis Apple II (Steve Jobs) Plusieurs millions d exemplaires 1981 l IBM PC (personnal computer) Intel 8088 MS-DOS (microsoft) Plans diffusés gratuitement => clonage 1980 Architecture RISC dominante 1990 UC Superscalaires (cours de M1) 47

48 IBM PC Apple II 48

49 4. Evolution chez Intel 8086 (1978) 16bits, 1Mo, (1982) 16 bits, mémoire étentue (1985) 32 bits (1989) 32 bits, cache de 8K Pentium (1993) Double pipeline Pentium pro (1995) Cache mémoire à 2 niveaux 8Ko + 256Ko Pentium II + Celeron + Xeon MMX Pentium III Pentium IV (1997) Compatibilité (1999) ascendante 49 (2000)

50 Evolution des processeurs Intel: densité, fréquence d horloge Année MHz Transistors Pe nt iu m Pe nt iu m II

51 Evolution des processeurs Intel: mémoire mémoire Ko II Pe nt iu m iu m 6 Pe nt ,

52 Intérieur du Pentium IV (Intel) année millions de transistors 2-4 GHz 52

53 VI. Résumé 53

54 Mécanisme de l arithmétique 1. L héritage Automates Falcon Pascal Leibnitz Jacquard Logique mathématique Technologie Leibnitz Mécanique Babbage Boole Turing ENIAC Electromécanique Electronique Von Neumann Wilkes Industrie Informatique 54

55 2. Evolution historique 1980 s Suppression de la microprogrammation => cablé 1970 s «Ajouter du matériel par logiciel» : explosion des jeux d instructions 1960 s 5 Niveaux : OS 1957 s 4 Niveaux : J. Bachus premier compilateur FORTRAN Niveaux : M. Wilkes, niveau microprogrammation Niveaux : ISA + physique 55

57 VII. L ordinateur actuel 57

58 Type 1. Spectre des ordinateurs actuels Ordinateur jetable Ordinateur enfoui Ordinateur de jeux Ordinateur personnel Serveur Station de travail Mainframe superordinateur Prix (euros 1) K 10K 100K 1M Exemple d application Carte de vœux téléphone, voitures Jeux vidéo Ordinateur portable Serveur de réseau Mini superordinateur Traitement par lot : banque 58 10M Prévision météo

59 2. Quelques marques de processeurs Intel, AMD, Via Ordinateur personnel Sun Stations de travail (ultrasparc) Systèmes enfouis (microjava 701) Nvidia Carte graphique Transmeta, altera, Xilinx, ARM, MIPS Systèmes enfouis (crusoe, nios, virtex, arm9, mipsrx000) 59

60 3. Leurs propriétés courantes 3 composants Processeur Mémoires Entrées/sorties Organisation multi-niveaux Architecture de Von Neumann (processeur) Commande, chemin de données, mémoire, entrées/sorties Architecture de Harvard (Mark1) Mémoire et mécanismes d accès séparées entre données et instructions 60

61 Le bus central UC Mémoire Console E/S à ruban Autres E/S Architecture du PDP-8 (1965) structurée autour d un bus central : L omnibus Le bus et la mémoire peuvent disposer de signaux séparées entre et instructions (Harvard) 61 données

62 4. Architecture actuelle de l ordinateur UC / CPU Unité de Contrôle Disque (HDD) Unités d entrée/sortie Registres UAL Mémoire principale Bus interne Bus externe Données Adresses 62 Commandes

63 VIII. Prochaines générations? Facteurs d évolution Loi de Moore Première loi de Nathan 63

64 Evolution technologique 1965 Modélisation par la Loi de Moore (Gordon Moore dirigeant d Intel) La densité d intégration (le nombre de transistors sur une puce) double tous les 18 mois (60% l an) Prédiction empirique devenu incroyablement exacte et même un objectif à tenir Cercle vertueux 64

65 Evolution technologique Loi de Moore Le nombre de transistors à l intérieur d un circuit double tous les 18 mois 65

66 (suite) The Continuing Evolution of Intel Microprocessors CIS105 December , Speed (MHZ) Year

67 Première loi de Nathan Nathan Myhrvold «Le logiciel se comporte comme un gaz : son expansion est telle qu il remplit tout contenant» Le logiciel crée une pression d évolution sur les Processeurs Mémoires e/s 67

68 Can machine think? A. M. Turing

69 Objectifs du cours d architecture du L2 au M2 69

71 Parcours architecture Architectures multimédia M2 Circuits reconfigurables Architecture avancée M1-S2 Les classes d architecture Informatique embarquée La programmation en assembleur L exécution des programmes Conception des SoC Les DSP M1-S1 L3 Architectures embarquée Couche OS - RTOS Couche ISA Couche assemblage Como Systèmes E/S L2 Couche physique Couche micro-architecture 71 Couche ISA

72 Architecture des ordinateurs Introduction & Historique 3h Cours 4h TDs Représentation des nombres Couche physique, circuits logiq. Circuits séquentiels Le chemin de donnée CC Couche micro-architecture Cycle d exécution Conclusion sur l exécution CC72

73 Quelques questions à se poser Pourquoi la logique binaire a-t-elle été choisie comme base de calcul des ordinateurs? Quelle différence y a-t-il entre interprétation et traduction? Comment réalise-t-on le doublement de la densité d intégration d un circuit? Quel est le lien entre l augmentation de la densité et l augmentation des fréquences? Comment mémorise-t-on de l électricité? Une ampoule est elle une mémoire? Un processeur est-il intelligent? 73

74 74

75 Plus 75

76 Taille de mots (bits) Temps de cycle (micros) Fréquence (KHz) taille (Kg) Nombre de mots (K) Coût (kdollars) Exemplaires vendus (k) année génération PD P8 PD P IB M on N V IB M eu m an n C A EN IA C NI V U A na ly tiq ue 0 76