Architecture matérielle Nicolas Dewaele

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1 Architecture des ordinateurs

2 Définition d'un ordinateur

3 Architecture matérielle Architecture de Von Neumann (Années 1940) Von Neumann : Mathématicien, inventeur de l'architecture des ordinateurs modernes : L architecture de Von Neumann décompose l ordinateur en 4 parties distinctes 1. L unité arithmétique et logique : Effectue les opérations de base ; 2. L unité de contrôle : séquençage des opérations ; 3. La mémoire qui contient à la fois les données et le programme qui dira à l unité de contrôle quels calculs faire sur ces données. La mémoire se divise entre mémoire volatile et mémoire permanente. 4. Les entrées-sorties, qui permettent de communiquer avec l'extérieur.

4 Architecture de base d'un ordinateur Architecture matérielle L'architecture de base de l'ordinateur est : - carte mère - mémoire de masse - mémoire vive - processeur

5 Carte mère

6 Carte mère - Générations de cartes mères - Rôle des chipsets - Bus - Socket du processeur - BIOS

7 Architecture matérielle Cartes mères : Époque Pentium II

8 Architecture matérielle Cartes mères : Récente

9 Bus et ponts Chaque bus est composé de 50 à 100 lignes physiques contenant : - Un bus de données - Un bus d'adresses - Un bus de contrôle Architecture matérielle Réduction du nombre de voies physiques pour relier les équipements. Propriété d'un bus : Largeur x fréquence = bande passante Principaux bus : FSB : Processeur > Pont Nord Bus mémoire : RAM > Pont Nord Bus matériel : USB, PCI, Sata,

10 Architecture matérielle Rôle des chipsets : Exemple avec une carte mère Intel

11 BIOS Première prise en charge du matériel Bips et avertissements physiques Démarrage de l'ordinateur par POST Possibilité de le mettre à jour (flashage) Plus de BIOS = Rachat de carte mère

12 Processeur

13 Processeurs Architecture matérielle - Rôle du processeur - Type d'architectures - Unités du processeur

14 Rôle du processeur Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dans un unique circuit intégré. Le processeur effectue les calculs et traite les données demandées par les applications.

15 Lois de Moore Moore, un des trois ingénieurs fondateurs d'intel a énoncé deux lois : 1ère Loi : 1965 : La complexité des semi-conducteurs entrée de gamme doublait tous les ans à coût constant depuis 1959, date de leur invention, Moore postulait la poursuite de cette croissance 2ème loi : 1975 : le nombre de transistors des microprocesseurs (et non plus de simples circuits intégrés moins complexes car formés de composants indépendants) sur une puce de silicium double tous les deux ans.

16 Architecture matérielle Générations de processeurs

17 Date Nom Nombre de transistors Architecture matérielle Générations de processeurs Finesse de gravure (µm) Fréquence de l'horloge Largeur des données khz 4 bits/4 bits bus MHz 8 bits/8 bits bus 0, MHz 16 bits/8 bits bus 0, ,5 6 MHz 16 bits/16 bits bus ,5 16 à 40 MHz 32 bits/32 bits bus à 100 MHz 32 bits/32 bits bus Pentium ,8 à à 233 MHz 32 bits/64 bits bus Pentium II ,35 à à 450 MHz 32 bits/64 bits bus Pentium III ,25 à à 1400 MHz 32 bits/64 bits bus Pentium ,18 à ,3 à 3.8 GHz 32 bits/64 bits bus Pentium 4D «Prescott» ,09 à à 3.6 GHz 32 bits/64 bits bus Core 2 Duo ,065 2,4 GHz (E6600) 64 bits/64 bits bus Core 2 Quad 2* ,065 3 GHz (Q6850) 64 bits/64 bits bus 2* (?) 2008 Core 2 Duo (Penryn) 2008 Core 2 Quad (Penryn) 2008 Intel Core i7 (Nehalem) ,045 3,33 GHz (E8600) 64 bits/64 bits bus ~ * ,045 3,2 GHz (QX9770) 64 bits/64 bits bus ~2* ,045 (2008) - 0,032 (2009) 2,93 GHz (Core i7 940) - 3,2 GHz (Core i7 Extreme Edition 965) MIPS 64 bits/64 bits bus?

18 Loi de Wirth Architecture matérielle Wirth est professeur d'informatique suisse. Il a inventé plusieurs langages de programmation (notamment Pascal et ses dérivés) et énoncé la loi de Wirth en Loi de Wirth : 1995 : Le logiciel ralentit plus vite que le matériel n'accélère. Les éditeurs de logiciels s'appuient sur la loi de Moore pour éviter d'optimiser le code. Les logiciels sont donc de plus en plus lourds, globalement, les traitements logiciels n'accélèrent pas alors que les processeurs sont plus rapides. Le terme obésiciel est utilisé pour les logiciels très lourds, par exemple la suite MS Office ou Nero Burning Rom.

19 Organisation du processeur : Ordonnanceur : Accumulateur : UAL : Attribue à chaque tâche un niveau d'importance et un temps défini. Stockage des données en cours de traitement par l'ual Unité capable d'effectuer des calculs mathématiques Compteur ordinal : Registres : Contient l'adresse mémoire de la donnée en cours d'exécution Stockent diverses informations.

20 Architectures de processeurs : CISC (Complex Instruction Set Computer) Processeurs x86 (Intel et AMD avant Pentium) RISC (Reduced Instruction Set Computer) Processeurs Sparc (Sun), IBM dont les PowerPC utilisés sur Mac Aujourd'hui : Sur Intel et AMD : Architectures RISC dans laquelle est émulée un jeu d'instructions CISC (IA 32). Performances comparables entre CISC et RISC.

21 Architectures de processeurs : Architecture matérielle Architecture historique Architecture pipeline Super Scalaire Super Pipeline (Pentium IV)

22 Mémoires

23 Mémoires : Mémoire de masse : Disques durs, CD, DVD, mémoires Flash Architecture matérielle Permettent de stocker de façon durable les données fois plus lente que la RAM! Non volatile. Peut contenir une extension de la mémoire vive : Mémoire vive : Swap ou mémoire paginée ou mémoire virtuelle. RAM, mémoire graphique Permet de stocker temporairement une information pour pouvoir la rendre disponible au processeur Mémoire rapide, mémoire volatile. Mémoire cache : Mémoire interne au processeur La plus rapide des mémoires. Mémoire volatile.

24 Statique : Paginée : Segmentée : Mémoires vives Architecture matérielle La mémoire réserve une taille définie pour chaque emplacement. C'est au programmeur de s'adapter. La mémoire réserve des emplacements non contigus et de taille variable en fonction du besoin du programme. Une adresse logique pour un ensemble d'adresses physiques. Nécessite un équipement qui ordonne ces pages de mémoire. Un programme se voit allouer des segments de mémoire pour :» Le tas, la pile, les variables d'environnement, le code exécutable.

25 Architecture matérielle Organisation de la mémoire Grâce au MMU, le CPU ne voit qu'une adresse logique alors que la mémoire est paginée en plusieurs adresses physiques CPU

26 Processus dans une mémoire segmentée

27 Les mémoires de stockage

28 Les ROMs et dérivées ROM : PROM : EPROM : Mémoire en lecture seule. Non modifiable. Mémoire programmable physiquement une seule fois par brûlure des fusibles. Mémoires reprogrammables en utilisant des rayons UV (avec une machine particulière) EEPROM ou mémoires Flash : Mémoires reprogrammables électriquement. Utilisées sur tous les équipements de petite taille (Clés USB, PDA, téléphones, mini portables, électronique embarquée,...

29 Disques durs

30 Disques durs

31 Formatage : Disques durs Architecture matérielle de haut niveau : le plus connu, qui se fait avec des logiciels comme fdisk ou partition magic. Il permet de supprimer et de ré-écrire un système de fichier (FAT, NTFS, EXT2,... ) de bas niveau : il se fait au niveau physique, supprime les partitions, les systèmes de fichiers, le MBR et réinitialise tout le disque cluster après cluster. Partitionnement : MBR : Un disque dur peut être découpé en partitions. 4 partitions principales au maximum, dans lesquelles on met des systèmes d'exploitation. 1 partition étendue qui contient autant de lecteurs logiques que l'on veut. 512 premiers octets du disque dur. Contient la table des partitions Contient l'adresse du logiciel d'amorçage.

32 RAID : Redundant array of inexpensive disks ou Redundant array of independant disks Architecture matérielle Niveau 0 : Stripping

33 RAID : Niveau 1 : Mirorring

34 RAID : Niveau 5 :

35 RAID Niveau 0-1

36 RAID Niveau 1-0

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