INFORMATIQUE 1 Enseignants: HAMID Rabeh DJOUABRI Abderrezak. Architecture des ordinateurs

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1 INFORMATIQUE 1 Enseignants: HAMID Rabeh DJOUABRI Abderrezak 2 Architecture des ordinateurs

2 2 Architecture de base Modèle de von Neumann Pour traiter une information, un microprocesseur seul ne suffit pas, il faut l insérer au sein d un système minimum de traitement programmé de l information. John Von Neumann est à l'origine d'un modèle de machine universelle de traitement programmé de l information (1946). Cette architecture sert de base à la plupart des systèmes à microprocesseur actuel.

3 3 Architecture de base Modèle de von Neumann Elle est composée des éléments suivants : 1. une unité centrale 2. une mémoire principale 3. des interfaces d entrées/sorties

4 4 Architecture de base Modèle de von Neumann Les différents organes du système sont reliés par des voies de communication appelées bus.

5 5 Les interfaces d entrées/sorties Elles permettent d assurer la communication entre le microprocesseur et les périphériques. ( capteur, clavier, moniteur ou afficheur, imprimante, modem, etc ).

6 6 Les bus Un bus est un ensemble de fils qui assure la transmission du même type d information. On retrouve trois types de bus véhiculant des informations en parallèle dans un système de traitement programmé de l information :

7 7 Les bus 1 bus de données 2 bus d'adresses 3 bus de commande

8 8 Les bus 1 bus de données bus d'adresses bus de commande bidirectionnel qui assure le transfert des informations entre le microprocesseur et son environnement, et inversement. Son nombre de lignes est égal à la capacité de traitement du microprocesseur.

9 9 Les bus bus de données 2 bus d'adresses bus de commande unidirectionnel qui permet la sélection des informations à traiter dans un espace mémoire (ou espace adressable) qui peut avoir 2 n emplacements, avec n = nombre de conducteurs du bus d'adresses.

10 10 Les bus bus de données bus d'adresses 3 bus de commande constitué par quelques conducteurs qui assurent la synchronisation des flux d'informations sur les bus des données et des adresses.

11 11 Une mémoire est un circuit à semi-conducteur permettant d enregistrer, de conserver et de restituer des informations (instructions et variables).

12 12 Organisation d une mémoire Une mémoire peut être représentée comme une armoire de rangement constituée de différents tiroirs. Chaque tiroir peut contenir un seul élément : des données. Le nombre de cases mémoires pouvant être très élevé, il est alors nécessaire de pouvoir les identifier par un numéro. Ce numéro est appelé adresse. Chaque donnée devient alors accessible grâce à son adresse Avec une adresse de n bits il est possible de référencer au plus 2 n cases mémoire.

13 13 Caractéristiques d une mémoire La capacité / Le temps d accès / Le temps de cycle / Le débit / Volatilité /

14 14 Caractéristiques d une mémoire La capacité, représentant le volume global d'informations (en bits) que la mémoire peut stocker ; Le temps d'accès, correspondant à l'intervalle de temps entre la demande de lecture/écriture et la disponibilité de la donnée ; Le temps de cycle, représentant l'intervalle de temps minimum entre deux accès successifs ; Le débit, définissant le volume d'information échangé par unité de temps, exprimé en bits par seconde ; La non volatilité caractérisant l'aptitude d'une mémoire à conserver les données lorsqu'elle n'est plus alimentée électriquement.

15 15 Différents types de mémoire 1 2 vives (RAM) mortes (ROM)

16 16 Différents types de mémoire 1 vives (RAM) RAM (Random Acces Memory : mémoire à accès aléatoire) Une mémoire vive sert au stockage temporaire de données. Elle doit avoir un temps de cycle très court pour ne pas ralentir le microprocesseur. vives sont en général volatiles : elles perdent leurs informations en cas de coupure d'alimentation.

17 17 Différents types de mémoire 1 vives (RAM) Il existe deux grandes familles de mémoires RAM Les RAM statiques Les RAM dynamiques

18 18 Différents types de mémoire 1 Les RAM statiques vives (RAM) utilisent le principe des bascules électroniques, elle est très rapide et ne nécessite pas de rafraîchissement, par contre, elle est chère, volumineuse et, grosse consommatrice d'électricité. Elle est utilisée pour les caches mémoire, exemple les tampons mémoire L1, L2 et L3 des microprocesseurs.

19 19 Différents types de mémoire 1 vives (RAM) Les RAM dynamiques Dans les RAM dynamiques (DRAM), l'information est mémorisée sous la forme d'une charge électrique stockée dans un condensateur

20 20 Différents types de mémoire 1 vives (RAM) Les RAM dynamiques SDRAM (Synchronous Dynamic RAM). Pour les machines de la génération Pentium II, Pentium III. On distingue la SDRAM 66, 100 et 133 (fréquence d'accès en MHz). Elle comporte normalement 168 broches.

21 21 Différents types de mémoire 1 vives (RAM) Les RAM dynamiques DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic RAM). Elle est aussi plus chère. On distingue les DDR PC1600, PC2100, PC2700, PC3200, etc. Le numéro représente la quantité théorique maximale de transfert d'information en Mégaoctets par seconde. Elle est utilisée pour les machines de génération Pentium III et Pentium 4. Elle comporte normalement 184 broches.

22 22 Différents types de mémoire 1 vives (RAM) Les RAM dynamiques DDR2 SDRAM (Double Data Rate two SDRAM). On distingue les DDR2-400, DDR2-533, DDR2-667, DDR2-800 et DDR Le numéro (400, 533, ) représente la fréquence de fonctionnement. Elle comporte normalement 240 broches

23 23 Différents types de mémoire 1 vives (RAM) Les RAM dynamiques DDR3 SDRAM (Double Data Rate three SDRAM). Il s'agit de la 3 e génération de la technologie DDR. La DDR3 fournit un débit deux fois plus important que la DDR2, et permet d'atteindre un débit de 6400 MB/s, et jusqu'à MB/S pour de la DDR

24 24 Différents types de mémoire 1 vives (RAM) Les RAM dynamiques A-DATA OCZ Technologies Corsair Crucial G. Skill Kingston Fabricants de mémoire Dane-Elec Infineon Transcend

25 25 Différents types de mémoire vives (RAM) 2 mortes (ROM) ROM: Read-Only Memory est une mémoire non volatile, c est-à-dire une mémoire qui ne s efface pas lorsque l appareil qui la contient n est plus alimenté en électricité.

26 26 Différents types de mémoire 2 mortes (ROM) mortes sont utilisées, entre autres, pour stocker les informations nécessaires au démarrage d un ordinateur (BIOS, instructions de démarrage, microcode) ; puisque les mémoires mortes ne peuvent pas être modifiées, il n y a pas de risque d effacement accidentel par l utilisateur.

27 27 Différents types de mémoire 2 mortes (ROM) mortes sont classées selon la possibilité de les programmer et de les effacer :

28 28 Différents types de mémoire 2 mortes (ROM) Les ROM (Read Only Memory) dont le contenu est défini lors de la fabrication.

29 29 Différents types de mémoire 2 mortes (ROM) Les PROM (Programmable Read Only Memory) sont programmables par l utilisateur, mais une seule fois en raison du moyen de stockage, les données sont stockées par des fusibles.

30 30 Différents types de mémoire 2 mortes (ROM) Les EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) sont effaçables et programmables par l utilisateur. Comme l effaçage se fait en plaçant la mémoire dans une machine spéciale,

31 31 Différents types de mémoire 2 mortes (ROM) Les EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sont effaçables et programmables par l utilisateur. Elles sont plus faciles à effacer que les EPROM car elles sont effaçables électriquement donc sans manipulations physiques.

32 32 Différents types de mémoire 2 mortes (ROM) Les UVPROM (Ultra Violet Programmable Read Only Memory) sont des mémoires programmables par l'utilisateur. Elles sont effaçables en les mettant dans une chambre à ultraviolet. Les UV Prom n'ont plus de raison d'être aujourd'hui car de nouvelles mémoires (par exemple, mémoire Flash) bien plus pratiques les remplacent. Toutefois il est encore possible d'en rencontrer dans certains anciens appareils.

33 33 Notion de hiérarchie mémoire

34 34 Notion de hiérarchie mémoire Les registres sont les éléments de mémoire les plus rapides. Ils sont situés au niveau du processeur et servent au stockage des opérandes et des résultats intermédiaires.

35 35 Notion de hiérarchie mémoire La mémoire cache est une mémoire rapide de faible capacité destinée à accélérer l accès à la mémoire centrale en stockant les données les plus utilisées.

36 36 Notion de hiérarchie mémoire La mémoire principale est l organe principal de rangement des informations. Elle contient les programmes (instructions et données) et est plus lente que les deux mémoires précédentes.

37 37 Notion de hiérarchie mémoire La mémoire d appui sert de mémoire intermédiaire entre la mémoire centrale et les mémoires de masse. Elle joue le même rôle que la mémoire cache.

38 38 Notion de hiérarchie mémoire La mémoire de masse est une mémoire périphérique de grande capacité utilisée pour le stockage permanent ou la sauvegarde des informations. Elle utilise pour cela des supports magnétiques (disque dur, ZIP) ou optiques (CDROM, DVDROM).

39 Le microprocesseur 39 Le microprocesseur Un microprocesseur est construit autour de deux éléments principaux : Une unité de commande Une unité de traitement associés à des registres chargées de stocker les différentes informations à traiter. Ces trois éléments sont reliés entre eux par des bus interne permettant les échanges d informations.

40 Le microprocesseur 40 Le microprocesseur

41 Le microprocesseur 41 Le microprocesseur Remarques : Il existe deux types de registres : 1. les registres d'usage général permettent à l'unité de traitement de manipuler des données à vitesse élevée. Ils sont connectés au bus données interne au microprocesseur. 2. les registres d'adresses (pointeurs) connectés sur le bus adresses.

42 Le microprocesseur 42 L unité de commande Elle permet de séquencer le déroulement des instructions. Elle effectue la recherche en mémoire de l'instruction. le compteur de programme Il contient toujours l adresse de l instruction à exécuter. le registre d'instruction et le décodeur d'instruction : chacune des instructions à exécuter est rangée dans le registre instruction puis est décodée par le décodeur d instruction. Bloc logique de commande (ou séquenceur) : Il organise l'exécution des instructions au rythme d une horloge.

43 Le microprocesseur 43 L unité de traitement C est le cœur du microprocesseur. Elle regroupe les circuits qui assurent les traitements nécessaires à l'exécution des instructions : L Unité Arithmétique et Logique (UAL) Le registre d'état Les accumulateurs

44 Le microprocesseur 44 L unité de traitement L Unité Arithmétique et Logique (UAL) est un circuit complexe qui assure les fonctions logiques (ET, OU, Comparaison, Décalage, etc ) ou arithmétique (Addition, soustraction).

45 Le microprocesseur 45 L unité de traitement Le registre d'état Le registre d'état est généralement composé de 8 bits à considérer individuellement. Chacun de ces bits est un indicateur dont l'état dépend du résultat de la dernière opération effectuée par l UAL. On les appelle indicateur d état ou flag ou drapeaux.

46 Le microprocesseur 46 L unité de traitement Les accumulateurs Les accumulateurs sont des registres de travail qui servent à stocker une opérande au début d'une opération arithmétique et le résultat à la fin de l'opération

47 Le microprocesseur 47 Schéma fonctionnel

48 Le microprocesseur 48 Cycle d exécution d une instruction Phase 1: Recherche de l'instruction à traiter Phase 2 : Décodage de l instruction et recherche de l'opérande Phase 3 : Exécution de l'instruction

49 Le microprocesseur 49 Jeu d instructions La première étape de la conception d un microprocesseur est la définition de son jeu d instructions. Le jeu d instructions décrit l ensemble des opérations élémentaires que le microprocesseur pourra exécuter.

50 Le microprocesseur 50 Type d instructions Les instructions que l on retrouve dans chaque microprocesseur peuvent être classées en 4 groupes : Transfert de données pour charger ou sauver en mémoire, effectuer des transferts de registre à registre, etc Opérations arithmétiques : addition, soustraction, division, multiplication Opérations logiques : ET, OU, NON, NAND, comparaison, test, etc Contrôle de séquence : branchement, test, etc

51 51 Codage Le microprocesseur Les instructions et leurs opérandes (paramètres) sont stockés en mémoire principale. Une instruction est composée de deux champs : le code instruction, qui indique au processeur quelle instructio réaliser le champ opérande qui contient la donnée, ou la référence à une donnée en mémoire (son adresse).

52 Le microprocesseur 52 Mode d adressage Un mode d'adressage définit la manière dont le microprocesseur va accéder à l opérande. Les différents modes d'adressage dépendent des microprocesseurs mais on retrouve en général : l'adressage de registre où l on traite la données contenue dans un registre l'adressage immédiat où l on définit immédiatement la valeur de la donnée l'adressage direct où l on traite une données en mémoire Selon le mode d adressage de la donnée, une instruction sera codée par 1 ou plusieurs octets.

53 Le microprocesseur 53 Temps d exécution Chaque instruction nécessite un certain nombre de cycles d horloges pour s effectuer. Le nombre de cycles dépend de la complexité de l instruction et aussi du mode d adressage. Il est plus long d accéder à la mémoire principale qu à un registre du processeur. La durée d un cycle dépend de la fréquence d horloge du séquenceur.