Année Dr R. BOUDOUR

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1 Université Badji Mokhtar-Annaba Département D informatique Année Architecture des ordinateurs 2ème année LMD 5 Crédits Année Dr R. BOUDOUR

2 Programme (1) 2 1ère Partie 19/09-31/10 Contenu La machine de Von Neumann. Les relations entre le processeur et la mémoire. Le concept d'instruction et de langage machine. La représentation des différents types de données en mémoire. Architecture externe du microprocesseur 32 bits MIPS R3000 : Les registres visibles du logiciel. L'adressage et la structuration de l'espace adressable. Le langage d'assemblage du processeur MIPS R3000 La programmation structurée et les appels de procédures : L'utilisation de la pile pour les variables locales, les sauvegardes de contextes, et le passage des paramètres. Le rôle du compilateur et le partage des tâches entre le matériel et le logiciel Les deux modes utilisateur / superviseur comme support matériel au fonctionnement multi-tâches et multi-utilisateurs : Le rôle du système d'exploitation. Le traitement des interruptions, exceptions et trappes. Architecture générale d'un ordinateur moderne. Rôle des mémoires cache et hiérarchie mémoire. Communications entre le processeur et les organes périphériques. Rôle du bus système et mécanismes d'entrées/sorties. Nbre séances 26/09/ :13:28 TDs 1 séance Série 1 2 séances Série 2 1 séance 1 séance Série 3 1 séance Série 4

3 Programme (2) 3 2ème Partie 01/11-15/12 Algèbre de Boole. Simplification des sommes, des produits booléens. Correspondance entre expressions booléennes et implantation matérielle. Réalisation des principaux opérateurs combinatoires. Logique séquentielle. Modélisation des systèmes numériques synchrones, réalisation des registres et mémoires. Notions de temps de propagation / temps de pré-établissement / temps de maintien. 2 séances Série 5 2 séances Théorie des automates d'état synchrones comme modèle général des systèmes numériques synchrones. Synthèse et implantation matérielle des automates de Moore et de Mealy. 1 séance Série 6

4 Programme (3) 4 3ème Partie 05/01 10/02 Architecture interne du microprocesseur MIPS R3000 microprogrammé : Décomposition entre partie opérative et microséquenceur centralisé. Principe de la microprogrammation. Description structurelle complète de la partie opérative du processeur : registres, opérateurs de calcul, bus de communications, en utilisant les opérateurs matériels introduits dans la seconde partie du cours. Modélisation et réalisation du micro-séquenceur comme un automate d'état synchrone. Correspondance entre microprogramme et automate. Microprogrammation effective de quelques instructions 1 séance Série 7 2 séances 2 séances Série 8

5 Bibliographie 5 Architecture des ordinateurs : Interface Matériel / Logiciel David Patterson / John Hennessy Architecture de l ordinateur, Andrew Tanenbaum, 5 ème édition, 2005 Architecture de l ordinateur, Approche quantitative, David Patterson / John Hennessy. Architecture de l ordinateur, Nicholas P. Carter Sites web de cours et TDS sur l architecture des ordinateurs

6 Evaluation 6 Contrôle continu n 1 : fin 1ère partie Contrôle continu n 2 : fin 2 ème partie Examen écrit final : fin 3 ème partie TPs : (note partielle à chaque séance) Moy = 25% (cc1+cc2) +25%TPs + 50%final

7 Coordonnées du site de 7 module Here are the details on arch_2lmd: Group home page: Group address: arch_2lmd@yahoogroups.com

8 Chapitre 1 : Introduction 8 La machine de Von Neumann. Les relations entre le processeur et la mémoire. Le concept d'instruction et de langage machine. La représentation des différents types de données en mémoire

9 Quelques rappels 9 Von Neumann est à l origine (1946) d un modèle de machine universelle (non spécialisée) qui caractérise les machines possédant les éléments suivants : Une mémoire contenant programme (instructions ) et données La mémoire se divise entre mémoire volatile (programmes et données en cours de fonctionnement) et mémoire permanente (programmes et données de base de la machine). Une unité arithmétique et logique (ual ou alu) Une unité permettant l échange d information avec l extérieur (unité d E/S ou I/O) Une unité de commande, contrôlant toutes les unités. Ces unités permettent la mise en œuvre des fonctions de base d un ordinateur : le stockage des données, le traitement des données, le transfert des données (E/S) et la commande ou contrôle.

10 Quelques rappels 10 Schéma de fonctionnement ou cycle instruction Chargement de la prochaine instruction désignée par le registre instruction MAJ compteur instructions Décodage instruction Localisation, chargement éventuel des données depuis la mémoire Exécution de l instruction Rangement éventuel des résultats Retour à l étape 1 La plupart des ordinateurs actuels s appuient sur le modèle de Von Neumann

11 Quelques rappels 11 L architecture, dite architecture de von Neumann, est un modèle pour un ordinateur qui utilise une structure de stockage unique pour conserver à la fois les instructions et les données requises ou générées par le calcul. De telles machines sont aussi connues sous le nom d ordinateurs à programme stocké en mémoire ou à programme enregistré

12 Machine de Von Neumann (1) 12 Schéma

13 Machine de Von Neumann (2) 13 Chargement d une instruction : CO RA

14 Machine de Von Neumann (3) 14 Chargement d une instruction : Mem RI

15 Machine de Von Neumann (4) 15 Exécution de l instruction A + B : (lecture A) RI RA

16 Machine de Von Neumann (5) 16 Exécution de l instruction A + B : (lecture A) Mem ACC

17 Machine de Von Neumann (6) 17 Exécution de l instruction A + B : (lecture B) RI RA

18 Machine de Von Neumann (7) 18 Exécution de l instruction A + B : ACC et Mem ALU

19 Machine de Von Neumann (8) 19 Sauvegarde de A + B : ALU ACC

20 Machine de Von Neumann (9) 20 Lecture de l adresse du résultat : RI RA

21 Machine de Von Neumann (10) 21 Copie du résultat : ACC Mémoire

22 Autres définitions (1) 22 Le langage machine, ou code machine, est la suite de bits qui est interprétée par le processeur d'un ordinateur exécutant un programme. C'est le langage natif d'un processeur, c'est-àdire le seul qu'il puisse traiter. Il est composé d'instructions et de données à traiter codées en binaire. Les «mots» d'un langage machine sont appelés instructions. Chacune d'elles déclenche une commande de la part du processeur (par exemple : chercher une valeur dans la mémoire pour charger un registre, additionner deux registres, etc.).

23 Définitions (2) 23 Exemple : 3 programmes accomplissant la même tâche a) b) c)

24 Définitions (3) 24 Les bus sont situés à l'intérieur d'un même ordinateur, permettent et régulent les communications entre les différentes parties fonctionnelles de cet ordinateur Les bus comprennent des fils d adresse, de données et de contrôle Un bus est souvent caractérisé par : une fréquence, exprimée en hertz Une largeur : le nombre de bits d'informations qu'il peut transmettre simultanément. Lorsqu'un bus peut transmettre plus d'un bit d'information simultanément on parlera d'un bus parallèle, sinon d'un bus série.

25 Concept d information (1) 25 Une information est une entité abstraite, liée à la notion de connaissance. Nous nous intéressons naturellement aux informations d un point de vue technique en informatique Une information peut être : en relation avec une grandeur physique : forme, dimensions, emplacements d objets, Intensité d une force, électromagnétique : amplitude, fréquence ou phase d un signal électrique, d une onde électromagnétique électrochimique : PH d un liquide, potentiel électrochimique d une cellule nerveuse. Une information a : a un nom, ex : le caractère tapé au clavier a une valeur, ex : 37, A et peut être une combinaison d informations

26 Concept d information (2) 26 Une information a une représentation sous forme de grandeur(s) physique(s) associée à une convention, ou code, d interprétation. Si une information est représentée dans un code inconnu, elle n est pas compréhensible. Dans un ordinateur, l information a une triple fonction : mémorisée, transmise et traitée. En informatique, l association du nom d une information et de la représentation de la valeur constitue une variable

27 Principaux types de représentation 27 Codage de nombres Codage en signe + valeur absolue -7 = ici le 1 er bit indique le signe. Codage par excès on ajoute une constante (par ex. 128 pour un octet) au nombre avant de le représenter en binaire pur Codage des nombres flottants représentation par signe + mantisse + exposant Codage des caractères : Unicode norme internationale ; utilisée dans le langage Java (16 bits)

28 Représentation d un entier non signé 28 La représentation d un nombre est un codage : Ne pas confondre un nombre avec sa représentation! la quantité dix peut être représentée par : dix, 10, **********, 1010, A, X, etc. Représentation d un nombre dans une base b Représentation d un nombre en base 2 : Alphabet de 2 caractères binaires (appelés bits) : {0,1} = x 2 0 = = 13 10

29 Entiers binaires signés (1) 29 Signe et valeur absolue Y = abc = (-1) a (b c.2 0 ) Intervalle est : -2 N < i < 2 N-1-1 Problèmes : Comment faire pour addition/subtraction? Nous avons deux nombres pour zero (+/-)!

30 Entiers binaires signés (2) 30 Complément à Transformation Pour transformer a en -a, inverser tous les bits de a et ajouter 1 au résultat Avantages : Intervalle est : -2 N-1 < i < 2 N-1-1 Opérations ne nécessitent pas un contrôle de signe Une seule représentation pour zéro Utilisation efficace de tous les bits

31 Entiers binaires signés (3) 31 Valeur décimale d un entier représenté en binaire Soient n bits : b n-1 b n-2 b 1 b 0. Le nombre décimal représenté par ces n bits, en complément à 2, est le suivant : - b n-1 * 2 n-1 + b n-2 * 2 n b 1 * b 0 * 2 0 Exemple : 1011 représenté en complément à 2 sur 4 bits, correspond à : -1 x x x x 2 0 = -5 Le bit le plus significatif (b n-1 ) ou MSB donne le signe du nombre.

32 Entiers binaires signés (4) 32 Code avec excédent Dans le code avec excès, la valeur de l excès est égale à 2 n-1 pour une représentation sur n bits Exemple : En supposant un excès de 2 n-1 = 8, un nombre p est représenté par p + excès 3 sera représenté : p = par p + excès = =

33 Entiers binaires signés (5) 33 Nombres de 0 à 7 en binaire, représentés dans chacune des méthodes Binaire Signe v.abs C 1 C2 Excédent 4 Excédent

34 Manipulation des nombres binaires (1) 34 Extension d une représentation d un nombre : Ajouter des 0 avant à un nombre binaire positif ne modifie pas sa valeur, et Ajouter des 1 avant ne modifie pas la valeur d un nombre négatif (dans une représentation en complement à 2). Donc : = = 13 et = = - 5 Addition binaire consiste à appliquer simplement pour chaque colonne de la somme, les règles suivantes : = = = = 10 Avec la représentation en complément à 2, les nombres positifs ou négatifs doivent être de même longueur (même nombre de bits ). Exemple pour additionner 13 => (8 bits) à - 5 => 1011 (4 bits): nous étendons la représentation de - 5 par le bit de signe à 8 bits : => 8 (comme attendu!)

35 Manipulation des nombres binaires (2) 35 Complément à 2 : Débordement Si nous additionnons 2 nombres de 4 bits chacun en complément à 2, représentant 7 et 5 respectivement, nous obtenons : qui correspond à - 4!! nous avons débordé le nombre de bits, et le résultat est non valide. En général, si la somme de deux nombres positifs produit un résultat négatif, ou si la somme de deux nombres négatifs produit un résultat positif, un débordement aura lieu et le résultat est non valide.

36 Norme IEEE 754(1) 36 Nombres flottants Ce standard définit trois formats de nombres à virgule flottante : Simple précision (32 bits) Double précision (64 bits) Précision étendue (80 bits) Ce dernier est utilisé pour stocker les résultats intermédiaires de calculs au sein des coprocesseurs arithmétiques La norme utilise la base 2 pour les mantisses et le codage par excédent pour les exposants

37 Norme IEEE 754(2) 37 Format des nombres Ils commencent par un bit de signe (0 : positif, 1 : négatif) Exposants définis par excès (127 pour la simple précision et 1023 pour la double précision) Valeurs minimum (0) et maximum (255 ou 2047)réservées pour des codages spéciaux

38 Norme IEEE 754(3) 38 Une mantisse normalisée est constituée d'un chiffre 1, de la virgule et du reste de la Mantisse Comme le 1 de tête doit toujours être présent, il n'est pas nécessaire de le stocker La pseudo-mantisse de la norme IEEE 754 est donc constituée implicitement d'un 1 et de la virgule, suivis des 23 ou 52 bits effectifs. On parle aussi de «significande» Le significande code des valeurs dans [1;2[

39 Norme IEEE 754(4) 39 Exemple : représentation en simple précision du nombre : S = = = Le significande est donc : L'exposant est : = 126 = Le codage du nombre est donc : S Exposant Mantisse F

40 Norme IEEE 754(5) 40 Exemple : Un nombre est codé par : C0A en simple précision. Quel est son équivalent décimal? ( 1) S 1,M 2 E 127 c est-à-dire 1 1, = -1 x 1,25 x 2 2 = - 5 Précision La représentation machine des réels sur une machine se base sur un nombre fini de valeurs C est donc une représentation approchée! Précision de la représentation = différence entre les mantisses de deux nombres réels consécutifs IEEE 754, simple précision : la précision est de 2 23

41 Norme IEEE 754(6) 41 Un des problèmes principaux avec les nombres à virgule flottante est la gestion des erreurs numériques telles que : Débordements («overflow») : le nombre est trop grand pour être représenté Débordements inférieurs («underflow») : le nombre est trop petit pour être représenté Résultat qui n'est pas un nombre («not-a-number», ou NaN), comme par exemple le résultat d'une division par 0 En plus des nombres normalisés classiques, la norme IEEE 754 définit donc quatre autres types numériques : Not-a-number : résultat impossible Infini : infinis positif et négatif, pour le débordement Zéro : zéros positif et négatif, pour le débordement inférieur Nombres dénormalisés, pour les valeurs trop petites pour être représentables de façon normalisée

42 Norme IEEE 754(7) 42 Codage des nombres

43 Norme IEEE 754(8) 43 Remarques : Les nombres dénormalisés codent des nombres inférieurs au plus petit nombre normalisé représentable : Exposant égal à 0 Mantisse non nulle (sinon c'est le codage du zéro) Le plus petit nombre normalisé est = Le plus grand nombre dénormalisé est (équivalent au précédent), et le plus petit est , c'est-à-dire : = 2-150

44 Norme IEEE 754(9) 44 Résumé :

45 Codage des données alphanumériques (1) Code ASCII (American Standard Code for Information Interchange) Code universel : UNICODE code ASCII - 1 : 7 bits ( hexadécimal)

46 Codage des données alphanumériques (2) 46 code ASCII - 2 : 8 bits ( hexadécimal)

47 Codage des données alphanumériques (3) 47 Problèmes des codes ASCII Même étendus, ils ne permettent de coder que 256 caractères, soit un nombre très limité. Plusieurs extensions qui cohabitent : problème de norme d utilisation Solution proposée : codage non plus sur 8 bits mais sur 16 bits : UNICODE Depuis 1991 : le consortium Unicode, regroupe les acteurs principaux du monde de l informatique Propose une norme contenant plus de caractères Chaque caractère possède quelle que soit la plateforme utilisée, le logiciel, ou la langue: un numéro d identification unique un nom officiel dans un répertoire unifié un modèle de représentation L utilisation dans de nombreux SE et dans tous les navigateurs récents

48 Codage des données alphanumériques (4) 48 Compte-tenu de l extension mondiale de l informatique et de la diversité de plus en plus importante des caractères à stocker ont conduit depuis 1988, à la création d un code universel (UNIversal CODE). Ce code cherche à supprimer les pages de code et à reprendre l ensemble des caractères utilisés de par le monde. Il reste basé sur la codification ASCII. Il se présente sous 3 formes : UTF8 étant beaucoup utilisé sur internet et présentant un codage de taille variable UTF16 de taille fixe sur 2 octets (65535 caractères différents) UTF32 sur 4 octets Exemple :