Architecture Logicielle et matérielle Cours 1 : Introduction D après les transparents de N. Louvet (Univ Lyon1 - LIF6 printemps) Laure Gonnord http://laure.gonnord.org/pro/teaching/ Laure.Gonnord@univ-lyon1.fr Licence d info - Université Lyon 1 - FST
Plan 1 Organisation de l ordinateur par niveaux 2 Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... 1945-1955 : les tubes électroniques 1955-1965 : les transistors 1965-1980 : les circuits intégrés 1980 : le VLSI Omniprésence des ordinateurs aujourd hui 3 Conclusion Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 2 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux 1 Organisation de l ordinateur par niveaux 2 Historique rapide de l avènement de l ordinateur 3 Conclusion Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 3 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Un ordinateur? Une machine conçue pour acquérir, stocker, traiter et restituer des données : données numériques, textes, sons, images... Comment lui parler? Un programme est une suite (séquence) d instructions qui décrit la réalisation d un certain traitement. Oui, mais sous quelle forme? Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 4 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Languages Notion d instruction (en nombre fini restreint) : additionner deux nombres, tester l égalité d un nombre à zéro, copier des données d une zone mémoire à une autre,... Un ensemble d instructions forme un langage Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 5 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Oui, mais! int main (){ printf("hello!\n"); return 0; } < > Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 6 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Abstraction/Langage de programmation Solution : organisation par niveaux de l ordinateur L ordinateur est organisé par niveaux : niveau 5 niveau 4 niveau 3 niveau 2 langages de haut niveau compilateur langage d assemblage assembleur systeme d exploitation primitives architecture niveau 1 micro architecture niveau 0 circuits logiques Chaque niveau a un niveau de détail différent. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 7 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Niveau 0 : circuits logiques Warning En dessous du circuit logique il y a encore un monde électronique et physique Les traitement de données élémentaires sont effectuées par des portes logiques. V cc V 1 V 2 V s V 1 V 2 V s 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Ces portes manipulent des données en binaire. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 8 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Niveau 1 : micro-architecture Avec les portes logiques, on peut construire des briques de base plus évoluées : Des briques pour calculer (ALU) Des briques pour contrôler (ordre d exécution,... ). Des briques pour communiquer. Avec tout cela on obtient un processeur (ou unité centrale de traitement). Le niveau micro-architecture comprend tout le matériel chargé de l exécution effective des instructions du langage machine. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 9 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Micro archi : exemple Intel 8080 Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 10 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Niveau 2 : architecture Au niveau architecture, on peut commencer à programmer, il nous faut donc : Des informations sur la mémoire : organisation, taille, nombre de registres... Des informations sur les données : codage, types... Un langage de programmation : le langage machine Warning Les instructions du langage machine sont (encore) en binaire/hexadécimal. On parle aussi d ISA pour Instruction Set Architecture. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 11 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Exemple sur LC3 instruction action nzp codage en langage machine opcode arguments F E D C B A 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ADD DR,SR1,SR2 DR <- SR1 + SR2 * 0 0 0 1 DR SR1 0 0 0 SR2 Info La documentation d un microprocesseur (ISA) comprend des pages entières de ce type Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 12 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Différence entre micro-architecture et architecture C est une question d abstraction : Le programmeur a besoin de l ISA. La micro-architecture a plus de détails. Exemple Architecture IA-32 = ISA commune aux PI, PII, PIII, PIV. par contre la micro-architecture de ces processeurs a beaucoup évolué entre le PI et le PIV. Un programme tournant sur PI tournera sur PIV Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 13 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Niveau 3 : système d exploitation Le système d exploitation est un programme qui introduit un niveau d abstraction entre le programmeur (ou plus généralement l utilisateur d une machine), et le matériel : mécanisme de gestion mémoire accès aux fichiers Exemple : Linux Tourne sur IA-32 (x86, x86-32, i386), IA-32e (x86-64, EM64T, AMD64), IA-64 (Itanium), PowerPC, malgré des architectures différentes. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 14 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Niveau 4 : langage d assemblage Langage intermédiaire : Instructions lisibles (vs suites de bits). Interaction avec le système d exploitation. La traduction vers les niveaux 3 et 4 est faite par un programme appelé assembleur. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 15 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Exemple sur LC3 - le retour instruction action nzp codage en langage machine opcode arguments F E D C B A 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ADD DR,SR1,SR2 DR <- SR1 + SR2 * 0 0 0 1 DR SR1 0 0 0 SR2 à ce stade on peut enfin écrire ADD R1,R1,1. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 16 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Niveau 5 : langage de programmation Langages qui font (plus ou moins) abstraction des problématiques système ou mémoire : par exemple C, C++, OCaml... Traduction vers 3 et 4 par des compilateurs (gcc, clang,... ) à ce stade on peut enfin écrire x=x+1;. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 17 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Exemple illustratif En C : #include <stdio.h> char car; int main(void) { printf("hi!\n"); printf("entrez un caractere...\n"); car = getchar(); printf("vous avez entre : "); putchar(car); putchar('\n'); printf("bye!\n"); return(0); } // appel à une primitive de l'os // appel à une primitive de l'os // appel à une primitive de l'os Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 18 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Exemple illustratif Après compilation (LC3 compiler) LEA R0,msg0 ; charge l'adresse effective désignée par msg0 dans R0 TRAP x22 ; affiche la chaine pointée par R0 LEA R0,msg1 ; TRAP x22 ; affiche la chaine à l'adresse msg1 TRAP x20 ; lit un caractère et le place dans R0 [...] TRAP x22 ; affiche la chaine à l'adresse msg3 TRAP x25 ; termine le programme (rend la main à l'os) car:.blkw #1 ; case mémoire pour stocker un caractère lu msg0:.stringz "Hi!\n" msg1:.stringz "Entrez un caractere...\n" msg2:.stringz "Vous avez entre : " msg3:.stringz "Bye!\n" ret:.stringz "\n" Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 18 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Exemple illustratif Après assemblage! E00F F022 E012 F022 F020 3009 E026 F022 2006... On a la correspondance suivante pour chaque instruction : langage machine langage d'assemblage xe00f xf022 xe012 xf022 xf020 x3009 xe026 xf022 x2006... LEA R0,msg0 TRAP x22 LEA R0,msg1 TRAP x22 TRAP x20 ST R0,car LEA R0,msg2 TRAP x22 LD R0,car Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 18 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux À retenir de cette partie Les différents niveaux d abstraction d un ordinateur. Le rapport entre niveau d abstraction et langage. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 19 / 47
Organisation de l ordinateur par niveaux Objectifs de LIF6 Dans ce cours : Vue d ensemble de l ordinateur. Construction d un ordinateur en partant des portes logiques pour remonter jusqu au langage d assemblage. (Bonus) Le lien avec la compilation. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 20 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1 Organisation de l ordinateur par niveaux 2 Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... 1945-1955 : les tubes électroniques 1955-1965 : les transistors 1965-1980 : les circuits intégrés 1980 : le VLSI Omniprésence des ordinateurs aujourd hui 3 Conclusion Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 21 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... 1 Organisation de l ordinateur par niveaux 2 Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... 1945-1955 : les tubes électroniques 1955-1965 : les transistors 1965-1980 : les circuits intégrés 1980 : le VLSI Omniprésence des ordinateurs aujourd hui 3 Conclusion Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 22 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... La préhistoire... 1/2 Premiers moyens de calcul purement manuels : systèmes de numération. Moyen de calcul mécaniques : La machine de Pascal (1623-1662) : additions et soustractions en décimal. La machine de Liebniz (1646-1716) : multiplications et divisions en décimal. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 23 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... La machine analytique de Babbage (1792-1871) : première machine capable de lire des instructions sur des cartes perforées, et disposant d une mémoire. Considérée comme le premier ordinateur. Le développement de calculateurs mécaniques se poursuivra jusqu au XXe siècle. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 24 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... Machines électromécaniques 1/2 Au début du XXe siècle, se développent des machines électromécaniques basées sur l utilisation de relais électromécaniques. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 25 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... Machines électromécaniques 1/2 Citons par exemple : Les machines construites en Allemagne par Konrad Zuse entre 1930 et 1944 : apparition du calcul binaire. Le Mark I, construit à Harvard (Cambridge, MA) en 1944 sous l impulsion d Aiken. Le Mark I possédait 72 mots de 23 chiffres décimaux, et le temps d exécution d une instruction était de 6 secondes. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 26 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1945-1955 : les tubes électroniques 1 Organisation de l ordinateur par niveaux 2 Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... 1945-1955 : les tubes électroniques 1955-1965 : les transistors 1965-1980 : les circuits intégrés 1980 : le VLSI Omniprésence des ordinateurs aujourd hui 3 Conclusion Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 27 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1945-1955 : les tubes électroniques 1945-1955 : les tubes électroniques Principe du tube triode : l intensité du courant circulant entre l anode et la cathode dépend de la tension de la grille. lampe triode vide e cathode grille anode + Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 28 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1945-1955 : les tubes électroniques 1945-1955 : les tubes électroniques (suite) Citons les machines suivantes : Le COLOSSUS, développé par les Britanniques, et opérationnel dès 1943. L ENIAC, à Philadelphie, achevé en 1946 : utilisait 18000 tubes à vides, 1500 relais, pesait 30 T, et consommait 140 kw, comportait 20 registres de 10 chiffres décimaux. L ENIAC restait un gros calculateur électronique : le programme était entré manuellement en utilisant 6000 commutateurs multipositions... Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 29 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1945-1955 : les tubes électroniques Modèle de Von Neumann Dans les années 1950, John von Neumann développe, toujours en partant de la technologie des tubes électroniques, le premier ordinateur au sens moderne du terme. Il décrit notamment le modèle suivant, appelé modèle de Von Neumann : Une mémoire centrale contient à la fois les données et les programmes. Une unité centrale de traitement (UCT), qui comporte l unité arithmétique et logique (UAL) qui effectue les opérations en binaire. l unité de contrôle (UC) qui interprète les instructions des programmes, et provoque leur exécution. Les entrées/sorties (E/S) sont gérées par l unité centrale de traitement. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 30 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1945-1955 : les tubes électroniques Modèle de Von Neumann A RETENIR Mémoire centrale Unité de contrôle Unité de calcul Sorties Entrées Unité centrale de traitement Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 31 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1945-1955 : les tubes électroniques Les travaux de von Neumann aboutissent à le construction de l IAS computer au Princeton Institute for Advanced Studies (NJ, USA), opérationnel en 1952. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 32 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1955-1965 : les transistors 1 Organisation de l ordinateur par niveaux 2 Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... 1945-1955 : les tubes électroniques 1955-1965 : les transistors 1965-1980 : les circuits intégrés 1980 : le VLSI Omniprésence des ordinateurs aujourd hui 3 Conclusion Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 33 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1955-1965 : les transistors 1955-1965 : les transistors Le transistor a été inventé en 1948 dans les laboratoires Bell Labs (NJ) par Bardeen, Brattain et Shockley (prix Nobel en 1956). Même role que le tube mais plus petit plus fiable plus économe Les transistors sont fabriqués à base de matériaux semi-conducteurs, obtenus en modifiant les caractéristiques d un substrat, généralement le silicium. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 34 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1955-1965 : les transistors Ordinateur IBM IBM lança le 7094 en 1964 : il possédait 32536 mots de 36 bits, et exécutait ses instructions en 2 µs. Programmation en FORTRAN ou COBOL. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 35 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1965-1980 : les circuits intégrés 1 Organisation de l ordinateur par niveaux 2 Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... 1945-1955 : les tubes électroniques 1955-1965 : les transistors 1965-1980 : les circuits intégrés 1980 : le VLSI Omniprésence des ordinateurs aujourd hui 3 Conclusion Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 36 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1965-1980 : les circuits intégrés 1965-1980 : les circuits intégrés En 1958, Jack Kilby propose un procédé permettant de graver de nombreux transistors sur un même plaque de silicium, et crée le premier circuit intégré (prix Nobel en 2000). Cela va permettre d intégrer de quelques dizaines à quelques milliers de transistors par puce, d où des ordinateurs moins encombrants et plus rapides. Citons les System/360 d IBM : Modèle 30 40 50 65 Sortie 1970 1977 1977 1977 Temps de cycle 1000 ns 625 ns 500 ns 250 ns Mémoire max. 65536 o 262144 o 262144 o 524288 o En 1971, le 4004 d Intel est le premier microprocesseur commercialisé : processeur 4 bits, cycle de 10.6 µs, 2300 transistors sur 10 mm 2. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 37 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1980 : le VLSI 1 Organisation de l ordinateur par niveaux 2 Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... 1945-1955 : les tubes électroniques 1955-1965 : les transistors 1965-1980 : les circuits intégrés 1980 : le VLSI Omniprésence des ordinateurs aujourd hui 3 Conclusion Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 38 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1980 : le VLSI 1980 : Very Large Scale Integration (VLSI) En 1965, Gordon Moore (l un des fondateurs d Intel) observait que le nombre de transistors que l on pouvait intégrer sur puce avec la technologie la plus économique doublait environ tous les 18 mois : loi de Moore. 11 10 nombre de transistors par puce 10 10 x2 tous les 18 mois 9 10 Itanium 2 progression effective 8 10 7 10 6 10 80486 Pentium Pentium 3 Itanium 2 Pentium 2 Pentium Pro Pentium 4 Itanium Pentium 4 HT 5 10 80286 80386 4 10 8080 10 3 4004 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 39 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur 1980 : le VLSI VLSI A partir de 1980, la technologie dite CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor) se généralise : il devient possible d intégrer des centaines de milliers de transistors par puce. On parle de Very Large Scale Integration (VLSI). Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 40 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur Omniprésence des ordinateurs aujourd hui 1 Organisation de l ordinateur par niveaux 2 Historique rapide de l avènement de l ordinateur La préhistoire... 1945-1955 : les tubes électroniques 1955-1965 : les transistors 1965-1980 : les circuits intégrés 1980 : le VLSI Omniprésence des ordinateurs aujourd hui 3 Conclusion Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 41 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur Omniprésence des ordinateurs aujourd hui Omniprésence des ordinateurs aujourd hui En 2003 : 10 18 (soit +100millions/homme). type d ordinateur prix =C exemple d utilisation «Super-ordinateurs» 150 M simulation physique de grande ampleur Mainframes 5 M traitement des données dans les banques Grappes de calcul 50-500 K simulation physique Serveurs 5 K serveurs réseau Micro-ordinateurs 200-1000 ordinateur de bureau, portables Processeurs embarqués < 200 téléphones portables, smartphones... Microcontrôleurs 5 dans les appareils électroménagers! Puces «jetables» < 0.5 cartes banquaires, RFID Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 42 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur Omniprésence des ordinateurs aujourd hui Un exemple de super-calculateur : Roadrunner (2008) Roadrunner est le premier super-calculateur à avoir dépassé la puissance de 1 PFlop/s. Le Flop/s est une unité mesurant le nombre d opérations en arithmétique flottante effectuée par seconde. Roadrunner appartient au Département de l énergie US, à Los Alamos, NM. Le Roadrunner a été construit par IBM : budget final de 133 millions de dollars, 6 480 dual core Opteron d AMD, 12 960 processeurs Cell d IBM. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 43 / 47
Historique rapide de l avènement de l ordinateur Omniprésence des ordinateurs aujourd hui Roadrunner (2008) - 2/2 La performance maximale atteinte par le Roadrunner sur les benchmark LINPACK est de 1.042 PFlop/s 1. A titre de comparaison : Pentium 4 (SSE3, 3.6 GHz) : 7.2 GFlops/s Cell d IBM (3.2 GHz) : 9.46 GFlops/s. 1. TOP500 : http://www.top500.org Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 44 / 47
Conclusion 1 Organisation de l ordinateur par niveaux 2 Historique rapide de l avènement de l ordinateur 3 Conclusion Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 45 / 47
Conclusion Conclusion de cette partie - Motivation Après 60 ans d évolution, les ordinateurs permettent de couvrir un très large spectre d applications, et certains offrent une puissance de calcul considérable. Question Pourquoi donc étudier l architecture des ordinateurs? Inutile : les langages de programmation nous offrent le bon niveau d abstraction. En fait, non : le programmeur doit être capable de comprendre et d exploiter les (nouvelles) caractéristiques de sa machine afin de concevoir des programmes plus performants. Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 46 / 47
Conclusion http://xkcd.com/676/ Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 47 / 47