Architecture de base d un ordinateur

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1 Architecture de base d un ordinateur

2 Il y a 10 types de gens dans le monde : ceux qui comprennent le binaire et ceux qui ne le comprennent pas. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 2

3 Contenu du cours l'aboutissement d'une longue histoire La structure d'un ordinateur Le processeur L'unité arithmétique et logique Les mémoires Les entrées - sorties Ordinateur personnel 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 3

4 l'aboutissement d'une longue histoire L'informatique est née de la convergence de plusieurs démarches : 1. la mécanisation du calcul arithmétique: la 'Pascaline' de Blaise Pascal (1643), capable d'effectuer additions et soustractions, la machine de Leibnitz (1673) qui ajoute la multiplication, la division et le calcul des racines carrées, 2. la logique mathématique: Boole (1854) qui formalise une algèbre avec deux éléments (vrai et faux) et trois opérations (et, ou, non), Shannon (1938) qui lie l'algèbre de Boole, les nombres binaires et les signaux électriques, Turing (1936) avec les bases de l'algorithmique moderne. En 1946 John von Neumann a pose les principes de ce qu'est un ordinateur : une machine de traitement de l'information a programme enregistre. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 4

5 Chronologie 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 5

6 Introduction Un ordinateur est une machine de traitement de l information. Il est capable d acquérir de l information, de la stocker, de la transformer en effectuant des traitements quelconques, puis de la restituer sous une autre forme. Une information est tout ensemble de données. textes, nombres, sons, images, etc., les instructions composant un programme. Toute information est manipulée sous forme binaire (ou numérique) par l ordinateur. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 6

7 Contenu du cours l'aboutissement d'une longue histoire La structure d'un ordinateur Le processeur L'unité arithmétique et logique Les mémoires Les entrées - sorties Ordinateur personnel 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 7

8 La structure d'un ordinateur Processeur mémoire 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 8

9 Architecture de Base L architecture de base de la plupart des systèmes à microprocesseur actuel est composée des éléments suivants : une unité centrale (UC) une mémoire principale des interfaces d entrées/sorties (E/S) Les différents organes du système sont reliés par des voies de communication appelées bus. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 9

10 Architecture de Von Neumann Cette architecture est caractérisée par un processeur et une mémoire reliés par un bus : Les instructions et les données sont stockées dans la mémoire. L'efficacité d'un ordinateur est directement liée au débit des informations (instructions et données) qui circulent entre les différents éléments. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 10

11 Communication avec l'extérieur La machine de base, dite de Von Neumann, ne présenterait aucun intérêt sans un dispositif d'entrées/sorties pour permettre une communication avec l'extérieur. Pour une machine aussi simple il existe au moins trois méthodes pour installer un tel dispositif : Interface directement reliée au processeur Interface connectée au bus commun: le processeur s'adresse à la mémoire ou à l'interface d'e/s. Interface vue par le processeur comme une partie de la mémoire 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 11

12 Architecture de Harvard Dans cette architecture on sépare physiquement la mémoire des instructions (MI) et la mémoire de données (MD). Chacune de ces mémoires est accessible par un bus différent. Il est alors possible d'accéder simultanément aux instructions et aux données, ce qui permet d'augmenter le flux des informations. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 12

13 Opérations en parallèle Pour permettre aux interfaces d'e/s de lire ou d'écrire des données en mémoire pendant que le processeur effectue des calculs sur les données précédentes, il est intéressant d'utiliser une mémoire de données accessible depuis deux ports différents. De cette façon le processeur et l'interface peuvent chacun accéder alternativement à une moitié différente de la mémoire P E/S P E/S 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 13

14 Contenu du cours l'aboutissement d'une longue histoire La structure d'un ordinateur Le processeur L'unité arithmétique et logique Les mémoires Ordinateur personnel 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 14

15 Architecture Les principaux constituants d un ordinateur sont le processeur et la mémoire principale. le bus système permet au processeur de communiquer avec la mémoire centrale du système (RAM). Le bus d'adressage Le bus de données les bus d'extension (bus d'entrée/sortie) permet aux divers composants de communiquer entre eux 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 15

16 Le processeur Le processeur est divisé en deux parties l unité de commande et l unité de traitement : l Unité de Commande est responsable de la lecture en mémoire et du décodage des instructions ; l Unité de Traitement, aussi appelée Unité Arithmétique et Logique (U.A.L.), exécute les instructions qui manipulent les données. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 16

17 Unité centrale : Le processeur le processeur exécute les opérations arithmétiques et logiques contenues dans les programmes qui composent la partie logicielle de l ordinateur Le processeur est un circuit électronique complexe qui exécute chaque instruction en quelques cycles d horloges. La fréquence de cette horloge s exprime en MHz (millions de battements par seconde). Pour chaque instruction, le processeur effectue schématiquement les opérations suivantes: 1. lire en mémoire (MP) l instruction à exécuter ; 2. effectuer le traitement correspondant ; 3. passer à l instruction suivante. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 17

18 Le microprocesseur Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour que l ensemble du processeur puisse tenir sur un seul circuit intégré MIPS : le nombre de millions d instructions complétées par le microprocesseur en une seconde. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 18

19 Contenu du cours l'aboutissement d'une longue histoire La structure d'un ordinateur Le processeur L'unité arithmétique et logique Les mémoires Ordinateur personnel 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 19

20 L'unité arithmétique et logique L'unité arithmétique et logique, abrégée UAL, est l'organe de l'ordinateur chargé d'effectuer les calculs. Elle est incluse dans le microprocesseur. les données à traiter l'opération à effectuer les drapeaux (erreur,..) le résultat de l'opération Elle exécute les calculs arithmétiques (ex : addition) et logique (ex : comparaison). 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 20

21 La mémoire - Structure Dispositif capable d'enregistrer, de conserver et de restituer des données La mémoire est divisée en emplacements mémoire de taille fixe (d un octet) pour stocker instructions et données. Dans une mémoire de taille N, on a N emplacements mémoires, numérotés de 0 à N - 1. Chaque emplacement est repéré par son numéro, appelé adresse. L adresse est le plus souvent écrite en hexadécimal. La capacité (taille) de la mémoire est le nombre d emplacements, exprimé en général en kilo-octets ou en mégaoctets. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 21

22 Opérations sur la mémoire Seul le processeur peut modifier l état de la mémoire. Chaque emplacement mémoire conserve les informations que le processeur y écrit jusqu à coupure de l alimentation électrique, où tout le contenu est perdu (contrairement au contenu des mémoires externes comme les disquettes et disques durs). Les seules opérations possibles sur la mémoire sont : écriture d un emplacement : le processeur donne une valeur et une adresse, et la mémoire range la valeur à l emplacement indiqué par l adresse ; lecture d un emplacement : le processeur demande à la mémoire la valeur contenue à l adresse. Le contenu de l emplacement lu reste inchangé. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 22

23 Exécution des instructions Presser 2 La donnée parvient au microprocesseur grâce au bus mémoire et est stocké dans le Registre instruction, oùilluiest attribué un code 2 = X, puis envoyé au Décodeur pour traitement. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 23

24 Exécution des instructions Dans le décodeur l'instruction "2 = X" est décodée en binaire et envoyée à l'unité de contrôle puis mise dans le Registre données à une adresse. il attend d'autres commandes 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 24

25 Exécution des instructions Lorsque vous appuyez sur 3, Similaire à "2 = X", stockée dans le tampon des Instruction où il lui est attribué le code "3 = Y", puis décodée en binaire et envoyée à l'unité de contrôle puis mise dans le tampon des données à une adresse. il attend d'autres commandes 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 25

26 Exécution des instructions Lorsque vous appuyez sur la touche "+", c'est une nouvelle instruction, le signe "+" est stocké à une adresse dans tampon instruction comme un code "X + Y = Z " puis stockée dans le tampon d'instructions et envoyée au décodeur. Dans le Décodeur, "X + Y = Z" est traduite ou décodée et envoyé à la fois à l'unité de contrôle et au tampon de données pour exécuter la fonction ADD de l Unité Arithmétique et Logique 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 26

27 Exécution des instructions Dans l'unité de contrôle, le code est rompu et la commande ADD est envoyée à l'ual, où "X" et "Y" sont ajoutés les uns après qu'ils ont été envoyés à partir des données de cache. UAL envoie le "5" pour être stockés dans un emplacement de l'adresse registres 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 27

28 Exécution des instructions Lorsque vous appuyez sur la touche "=", l'instruction pour "=" entre dans le microprocesseur par le Bus mémoire et est stocké dans le tampon Instruction sous le code "Imprimer Z." puis envoie au Décodeur. Dans le Décodeur, l'instruction "Imprimer Z" est traduite ou décodée en binaire puis envoyée à l'unité de contrôle. Maintenant que la valeur de Z a été calculé, et il est résidant dans le registre entrée du fichier # 5, la commande d'impression ne dispose que de récupérer le contenu de 5 enregistrer et afficher à l'écran. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 28

29 Bus externe de données et d instructions Instructions Et données Bus externe d adresse Tampon de données Unité Arithmétique et Logique Bus interne de données et d instructions Registre d instructions Code Opération Adresse Opérande Tampon d adresse Bus interne d adresses Compteur ordinal Registre accumulateur Décodeur d instruction Unité de contrôle Signaux de contrôle Horloge Bus externe de contrôle 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 29

30 Contenu du cours l'aboutissement d'une longue histoire La structure d'un ordinateur Le processeur L'unité arithmétique et logique Les mémoires Les entrées sorties Ordinateur personnel 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 30

31 Les mémoires - Définition Dispositif capable d'enregistrer, de conserver et de restituer des données Munis de circuits d'entrée pour introduire les données à enregistrer de stockage pour conserver les données mémorisation permanente (une seule écriture puis lectures multiples) à mémorisation temporaire (lecture / écriture à volonté) à mémorisation volatile (nécessite un renouvellement régulier des données dans les cellules mémoires) de sortie pour accéder aux données enregistrées 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 31

32 Différents types de mémoire Mémoires Mémoires Vives Mémoires Mortes RAM Statiques RAM Dynamiques ROM PROM EPROM EAROM 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 32

33 Les mémoires à lecture-ecriture - Caractéristiques Caractéristiques d une mémoire La capacité : c est le nombre total de bits que contient la mémoire. Elle s exprime aussi souvent en octet. Le temps d accès : c est le temps qui s'écoule entre l'instant où a été lancée une opération de lecture/écriture en mémoire et l'instant où la première information est disponible sur le bus de données. Le temps de cycle : il représente l'intervalle minimum qui doit séparer deux demandes successives de lecture ou d'écriture. Volatilité : elle caractérise la permanence des informations dans la mémoire. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 33

34 Les mémoires à lecture-ecriture Elles ne peuvent conserver l'information que temporairement( si elles sont alimentées) R.A.M : Random Acces Memory (mémoire à accès aléatoire), elles sont aussi appelées mémoires vives. On distingue 2 grandes familles : RAM Statique (SRAM): l'information est maintenue tant que l'alimentation est présente. RAM Dynamique (DRAM) : elle nécessite une opération supplémentaire de " rafraîchissement " pour maintenir l'information présente. En général les mémoires dynamiques sont utilisées pour la mémoire centrale, alors que les mémoires statiques, plus rapides, pour des mémoires de petite taille comme les caches et les registres. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 34

35 Historique de quelques DRAM La DRAM EDO (Extended Data Out, 1995): Les composants de cette mémoire permettent de conserver plus longtemps l'information (33 à 50 Mhz) La DRAM BEDO (Bursted EDO): Permet de gagner beaucoup de temps (66 Mhz) 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 35

36 Historique de quelques DRAM La Synchronous DRAM (SDRAM, 1997): synchronise sur une horloge (100 Mhz). La DDR-I ou DDR-SDRAM (Double Data Rate Synchronous DRAM, 2000) : permet de recevoir ou d'envoyer des données lors du front montant et du front descendant de l horloge. (133 à 200 MHz). Elle est remplacée par la DDR II (200 Mhz ) 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 36

37 RAM 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 37

38 Les Mémoires à Lecture seule les informations sont permanentes et l'utilisateur ne peut que les lires. On trouve dans cette catégorie : R.O.M. : Read Only Memory (mémoire à lecture seule) elle est programmée une fois pour toutes par le fabricant. P.R.O.M. : Programmable Read Only Memory, mémoire programmable une fois par l'utilisateur E.P.R.O.M. : Programmable Read Only Memory, mémoire à lecture seule reprogrammable plusieurs fois par l'utilisateur après effacement sous un rayonnement ultra violet. E.A.R.O.M. : Electrically Alterable Read Only Memory, mémoire à lecture seule reprogrammable plusieurs fois par l'utilisateur mais effaçable électriquement Ces mémoires conservent les informations stockées même après coupure de l'alimentation. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 38

39 E.P.R.O.M effacement sous un rayonnement ultra violet E.A.R.O.M effaçable électriquement 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 39

40 Hiérarchie des mémoires Mémoires volatiles On trouve d'abord des mémoires très rapides (les plus chères), en petit nombre, accessibles immédiatement par le processeur. Ce sont les registres. On trouve ensuite le cache. Accessible en quelques cycles d'horloge (1 ou 2 en général) il contient quelques dizaines de milliers de mots. On a ensuite la mémoire principale ou mémoire centrale. On dispose parfois d'une mémoire d'appui ou d'arrière-plan, intermédiaire entre la mémoire centrale et les mémoires auxiliaires. Mémoire permanente. Les disques magnétiques forment le niveau suivant (mémoires auxiliaires ou mémoires de masse) Le dernier niveau correspond à l'archivage des données (disque optique numérique). 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 40

41 Hiérarchie des mémoires 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 41

42 Contenu du cours l'aboutissement d'une longue histoire La structure d'un ordinateur Le processeur L'unité arithmétique et logique Les mémoires Les entrées - sorties Ordinateur personnel 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 42

43 Entrées-Sorties Les ordinateurs sont utilisés pour traiter et stocker des informations. Nous avons jusqu ici décrit le fonctionnement du processeur et la mémoire principale. Nous allons maintenant étudier comment un ordinateur peut échanger de l information avec son environnement; ces échanges d informations sont nommés entrées/sorties Le point commun entre tous les périphériques d entrée est qu ils convertissent l information qu ils récupèrent de l extérieur en données compréhensibles par l ordinateur. A l inverse, les périphériques de sortie décodent l information fournie par l ordinateur afin de la rendre utilisable par l utilisateur. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 43

44 Les Entrées sorties Les périphériques sont raccordés à l ordinateur par l intermédiaire de bus. L ordinateur est généralement constitué d un châssis supportant la carte mère et divers emplacements (slots) libres sur le bus reliant l UC aux périphériques. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 44

45 Bus Structure logique d un PC Bus Chaque contrôleur qui pilotent les périphériques et gèrent les accès au bus Si un contrôleur lit ou écrit directement en mémoire il fait un Direct Acces Memory (DMA) 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 45

46 Contenu du cours l'aboutissement d'une longue histoire La structure d'un ordinateur Le processeur L'unité arithmétique et logique Les mémoires Les entrées - sorties Ordinateur personnel 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 46

47 Les ordinateurs personnels Carte mère Écran CPU (Microprocesseur) Mémoire vive (RAM) Cartes de périphériques Alimentation Lecteur de disques (CD) Disque dur Clavier Souris 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 47

48 Ordinateur personnel Ordinateur personnel Carte mère Carte graphique Carte son Carte réseau Carte mémoire Alimentation Lecteur CD Disque Dur Clavier Souris 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 48

49 Carte mère La carte mère (motherboard) est un circuit imprimé servant à interconnecter toutes les composantes d'un microordinateur le système nerveux du micro-ordinateur. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 49

50 Éléments d une carte mère 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 50

51 Carte mère 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 51

52 Ordinateur personnel Ordinateur personnel Carte mère Carte graphique Carte son Carte réseau Carte mémoire Alimentation Lecteur CD Disque Dur Clavier Souris 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 52

53 Carte graphique Une carte graphique ou carte vidéo est une carte d'extension d'ordinateur dont le rôle est de produire une image affichable sur un moniteur d'ordinateur. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 53

54 Ordinateur personnel Ordinateur personnel Carte mère Carte graphique Carte son Carte réseau Carte mémoire Alimentation Lecteur CD Disque Dur Clavier Souris 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 54

55 Carte de traitement sonore Une carte de traitement sonore est une carte d'extension d'ordinateur. La principale fonction de cette carte est de gérer toute la partie «audible» de l'ordinateur : musique, bruitages, voix, etc. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 55

56 Ordinateur personnel Ordinateur personnel Carte mère Carte graphique Carte son Carte réseau Carte mémoire Alimentation Lecteur CD Disque Dur Clavier Souris 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 56

57 Carte réseau Une carte réseau est une carte d'extension d'ordinateur. Elle assure le rattachement d'un équipement informatique à un ensemble d'autres ressources connectées sur le même réseau. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 57

58 Ordinateur personnel Ordinateur personnel Carte mère Carte graphique Carte son Carte réseau Carte mémoire Alimentation Lecteur CD Disque Dur Clavier Souris 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 58

59 Carte mémoire Une carte mémoire est une unité de stockage de données numériques ( les appareils photo numériques, de jeux vidéo, musique MP3, données,..) Memorystick XD-Picture Card Secure Digital Elle est aujourd'hui (2007) la carte mémoire la plus répandue et offre une capacité maximale de 2 Go. Bientôt, une nouvelle version SDHC 2.0 permet une capacité de 32 Go. 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 59

60 La carte PCMCIA PCMCIA (pour Personal Computer Memory Card International Association), ou PC Card, est un format de carte d'extension ultra-plat, dédié aux ordinateurs portables 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 60

61 Ordinateur personnel Ordinateur personnel Carte mère Carte graphique Carte son Carte réseau Carte mémoire Alimentation Lecteur CD Disque Dur Clavier Souris 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 61

62 Alimentation électrique Appareil destiné à fournir de l'électricité, avec des caractéristiques en courant, tension et, fréquence spécifiques 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 62

63 Ordinateur personnel Ordinateur personnel Carte mère Carte graphique Carte son Carte réseau Carte mémoire Alimentation Lecteur CD Disque Dur Clavier Souris 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 63

64 Lecteur de CD Le lecteur de CD est un lecteur de disque optique qui lit au moyen d'une diode laser les disques optiques appelés disques compacts (ou CD), qu'il s'agisse de CD audio ou de CD-ROM informatiques. Le DVD-Rom ressemble comme deux gouttes d'eau au CD- ROM, mais il bénéficie d'une densité d'écriture nettement supérieure 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 64

65 Ordinateur personnel Ordinateur personnel Carte mère Carte graphique Carte son Carte réseau Carte mémoire Alimentation Lecteur CD Disque Dur Clavier Souris 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 65

66 Disque dur Le disque dur ou Hard Disk Drive est une mémoire de masse magnétique. Exemple : 63 cylindres * 255 têtes * secteurs * 512 octets/secteur = octets soit 76,688 Gio (ou 82,343 Go). 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 66

67 Ordinateur personnel Ordinateur personnel Carte mère Carte graphique Carte son Carte réseau Carte mémoire Alimentation Lecteur CD Disque Dur Clavier Souris 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 67

68 Clavier d'ordinateur Un clavier d'ordinateur est un périphérique permettant à un utilisateur d'entrer dans l'ordinateur du texte et des caractères, ainsi que de lui communiquer des instructions. Existent notamment des claviers AZERTY, QWERTY, français, belge, espagnol, États-Unis, 102 touches 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 68

69 Souris (informatique) Une souris est un dispositif de pointage relatif manuel pour ordinateur ; a été inventée en /08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 69

70 Ordinateur personnel Ordinateur personnel Carte mère Carte graphique Carte son Carte réseau Carte mémoire Alimentation Lecteur CD Disque Dur Clavier Souris 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 70

71 Où trouve-t-on des systèmes à microprocesseur Ordinateur, PDA console de jeux calculatrice télévision téléphone portable distributeur automatique d argent robotique lecteur carte à puce, code barre automobile instrumentation etc 26/08/2016 ENCG Pr. M. Benjelloun 71