Contact : adrien.krahenbuhl@univ-lorraine.fr LORIA (Campus FST - Vandœuvre-lès-Nancy) / Équipe ADAGIo Bureau B103

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1 Divers Contact : adrien.krahenbuhl@univ-lorraine.fr LORIA (Campus FST - Vandœuvre-lès-Nancy) / Équipe ADAGIo Bureau B103 Organisation du module : 10h CM (6 séances de 1h séance de 1h) 10h TP (6 séances de 1h séance de 1h) Cours sur Arche (ou Évaluation : Examen écrit à la fin du module Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( )

2 But du cours Culture Technique Informatique Comprendre les principes de fonctionnement d un ordinateur Manipuler des concepts basiques récurrents en informatique Acquérir des notions de programmation bas niveau Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( )

3 Contenu Introduction Historique L ordinateur des points de vue externe et interne Architecture en couches Structure d un ordinateur Le processeur ou unité centrale La mémoire principale Les entrées/sorties Circuits logiques Circuits combinatoires Circuits séquentiels Micro-architecture La couche ISA (Instruction Set Architecture) Registres Instructions Adressage Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( )

4 Références Architecture de l ordinateur 4 e Edition, Andrew S. Tanenbaum, Supports du cours Architecture des ordinateurs et programmation, Carine Pivoteau, MCF à l Université de Paris Est Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( )

5 Architecture des ordinateurs Introduction L1 MIASHS UFR Mathématiques et Informatique ( )

6 Terminologie Informatique : contraction d information et automatique traitement automatique de l information par des machines Architecture des ordinateurs : science centrée sur les machines point de vue à la fois matériel et logiciel Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 1 / 21

7 Les grandes étapes de l architecture des ordinateurs La génération zéro : les calculateurs mécaniques (? ) La première génération : les tubes à vide ( ) La deuxième génération : les transistors ( ) La troisième génération : les circuits intégrés ( ) La quatrième génération : les microprocesseurs ( ) Aujourd hui : la loi de Moore est encore d actualité Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 2 / 21

8 Les abaques (avant 1600) Instruments mécaniques facilitant le calcul Exemples : boulier, bâtons de Napier, règle à calculer,... Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 3 / 21

9 La Pascaline (1642) Machine qui additionne et soustrait les nombres de 6 chiffres en base 10 Multiplication et divisions par répétitions Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 4 / 21

10 Joseph Jacquard (1805) D après des idées de Falcon en 1728 Cartes perforées pour métiers à tisser c est le 1 er programme! Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 5 / 21

11 La machine analytique de Charles Babbage (1833) Machine programmable Capable de réaliser différentes opérations codées sur des cartes perforées Un dispositif d entrées et sorties Un organe de commande gérant le transfert des nombres et leur mise en ordre pour le traitement Un magasin permettant de stocker les résultats intermédiaires ou finaux (mémoire) Un moulin chargé d exécuter les opérations sur les nombres Un dispositif d impression Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 6 / 21

12 Début du XX e siècle Alan Turing (1936) Mathématicien, cryptologue et informaticien britannique Ce que l on peut calculer et ce que l on ne peut pas Fondateur de la science informatique Machine de Turing : modèle abstrait du fonctionnement des appareils mécaniques de calcul Claude Shannon (1938) Ingénieur électricien et mathématicien américain Fondateur de la théorie de l information Tout peut être représenté par des 0 et des 1 c est la numérisation Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 7 / 21

13 1ère génération d ordinateurs ( ) La Seconde Guerre Mondiale précipite l avènement des ordinateurs Les sous-marins allemands communiquaient par radio interception facile Messages chiffrés avec une machine ENIGMA par les allemands Besoin de beaucoup de calculs, rapidement pour les décrypter création du premier ordinateur électronique : COLOSSUS Besoins de l armée américaine pour le réglage des tirs d artillerie La course aux calculateurs est lancée à travers le monde Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 8 / 21

14 Les tubes à vide Également appelés tubes électroniques ou même lampe Amplificateur de signal Électrodes placées dans le vide ou dans un gaz Source d électrons Remplacés par des semi-conducteurs Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 9 / 21

15 L ENIAC de John Mauchly (1946) Electronic Numerical Integrator And Computer 1 er ordinateur électronique Turing-complet Système décimal tubes à vide et 1500 relais 6000 commutateurs, une forêt de câbles 30 tonnes, 167 m 2 Incapacité d enregistrer un programme Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 10 / 21

16 L EDSAC de von Neumann, Eckert et Mauchly (1946) Basé sur Electronic Discrete Variable Automatic Computer Système binaire +, et automatiques programmable Capacité mémoire initiale : 1000 mots de 44 bits Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 11 / 21

17 Architecture de John Von Neumann 4 parties distinctes : Unité arithmétique et logique (ALU) : effectue les opérations de base Unité de contrôle : chargée du séquençage des opérations Mémoire : contient les données et le programme Mémoire vive Mémoire de masse Entrées/Sorties : permettent de communiquer avec le monde extérieur La plupart des ordinateurs modernes utilisent cette architecture, seules les technologies ont changé. Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 12 / 21

18 2ème génération d ordinateurs ( ) Transistor inventé en 1948, aux Bell Labs (prix Nobel de Physique en 1956) Les ordinateurs à tubes à vide deviennent obsolètes à la fin des années 50 s Le MIT (Massachusetts Institute of Technology) est précurseur avec le TX-0 Les ordinateurs deviennent assez fiables pour être vendus à des clients naissance de l industrie de la mini-informatique (IBM, DEC, HP,... ) Premier jeu vidéo avec le PDP-1 Apparition des OS et langages évolués (FORTRAN et COBOL) Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 13 / 21

19 3ème génération d ordinateurs ( ) Circuit intégré inventé en 1958 dizaines de transistors sur une seule puce ordinateurs plus petits, plus rapides et moins chers Multiprogrammation Émulation d anciens modèles Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 14 / 21

20 4e me ge ne ration d ordinateurs ( ) Miniaturisation des circuits : l e re de la micro-informatique VLSI (Very Large Scale Integration) Premier micro-processeur INTEL en 1971 Apparition des ordinateurs personnels (PC) I I Traitement de texte Tableur Apparition d Apple (1976) Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 15 / 21

21 Aujourd hui Type Ordinateur jetable Ordinateur enfoui Ordinateur de jeux Ordinateur personnel (micro-ordinateur) Serveur Ensemble de stations de travail Mainframe Superordinateur Exemple d applications Cartes de vœux Montres, voitures Jeux vidéos Ordinateurs portables ou de bureau Serveurs de réseau Mini-superordinateur Traitement par lot dans une banque Prévisions météo à long terme Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 16 / 21

22 Définitions Ordinateur Machine capable de résoudre des problèmes en appliquant des instructions Instruction Action à effectuer par l ordinateur, correspondant à une étape dans un programme Programme Suite d instructions décrivant la façon dont l ordinateur doit effectuer un travail Langage machine Ensemble des instructions exécutables directement par un ordinateur Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 17 / 21

23 L ordinateur du point de vue matériel 1. Écran 2. Carte mère 3. CPU (Micro-processeur) 4. Bus 5. Mémoire vive (RAM) 6. Cartes de périphériques 7. Alimentation 8. Lecteur de disques 9. Disque Dur 10. Clavier 11. Souris Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 18 / 21

24 Kézako? Annonce trouvée sur priceminister.com : Dell OptiPlex760 1, Microsoft Windows Vista Professionnel 2, Intel Core 2 Duo E7300 / 2.66 GHz / 1333MHz / L2-3Mo 3, Intel GMA X4500 4, HDD 250Go SATA 3Gb/s 7200 tours/min 5, 2048Mo DDR2 SDRAM (2x1024) 6, Intel 82567LM Ethernet 7, DVD+-RW - SATA 8, [1xLAN (Ethernet), 1xeSATA, 1xVGA, 1x(entrée/sortie) audio, 1xmicrophone, 1xcasque ] 9, [8xUSB 2.0 (2 à l avant)] 10, 9.3x31.6x34 cm 11, 6.8kg 12 1 Référence du modèle 2 Système d exploitation 3 Processeur 4 Carte (puce) graphique 5 Disque dur 6 Mémoire vive 7 Carte réseau 8 Lecteur DVD 9 Connectiques 10 Ports USB 11 Dimensions de l ensemble 12 Poids de l ensemble Et en vrai, ça donne quoi? Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 19 / 21

25 L ordinateur du point de vue fonctionnement Machine électronique binaire Fonctionnement des composants de base : circuits électroniques Organisation et communication entre les composants Langage machine Système d exploitation Programme principal de l ordinateur Exécution silmutanée d autres programmes Gestion des périphériques : entrées/sorties, stockage Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 20 / 21

26 Architecture en couches Niveau 5 Couche des langages d application (langages haut niveau) Compilation Niveau 4 Couche du langage d assemblage Assembleur Niveau 3 Couche du système d exploitation Appels système Niveau 2 Couche architecture du jeu d instructions (propre à chaque machine) Micro-programmes Niveau 1 Couche mirco-architecture (UAL, opérations, registres,... ) Matériel Niveau 0 Couche logique numérique (circuits logiques) Architecture des ordinateurs L1 MIASHS ( ) Introduction 21 / 21