Architecture d ordinateur : introduction Dimitri Galayko Introduction à l informatique, cours 1 partie 2 Septembre 2014 Association d interrupteurs: fonctions arithmétiques élémentaires Elément «NON» Elément «Non-Et» 1 Un élément de base de l informatique: un interrupteur commandé (un transistor) Comment en arrive-t-on à un ordinateur? Association de fonctions arithmétiques élémentaires : fonctions plus complexes et variées V in Interrupteur commandé Transistor MOS Réponse : Un grand nombre d interrupteurs (des milliards, ~10 9 ) Une grande complexité : réseau d interconnexion complexe Structure hiérarchique 2 Elément de mémoire (Bascule D)
Association de fonctions arithmétiques élémentaires : fonctions plus complexes et variées Association de fonctions arithmétique: fonctions plus complexes Additionneur binaire S=A+B Multiplieur 7 Association de fonctions arithmétiques élémentaires : fonctions plus complexes et variées Association de fonctions arithmétique: fonctions plus complexes Multiplexeur (sélectionner une entrée parmi plusieurs) Unité arithmétique logique du processeur Z80 8
Association de fonctions plus complexes: unités fonctionnelles Encore plus complexe : Intel Core I7, >2 G transistors Processeur INTEL 8085 9 11 Encore plus complexe : Pentium IV (2000-2007), 42 M transistors On peut aller encore plus loin? Oui! En associant des processeurs, des circuits périphériques, pour faire un ordinateur 10 12
Et encore plus loin, en associant des ordinateurs : les réseaux! Exemple de programmation d un multiplexeur: en fonction de la polarisation des entrées A1, A2, la sortie X est reliée à une des entrée D1-D4 Multiplexeur (sélectionner une entrée parmi plusieurs) 13 Secret du succès de l informatique: le polymorphisme des systèmes matériels (poly == plusieurs, morphisme == forme). Obtenu par la programmation : le comportement d un même dispositif matériel dépend de sa polarisation électrique Polarisation électrique: les signaux «logiques» 1 ou 0 14 Chaque élément numérique, même très simples, sont, en général, programmable. Il y a la même hiérarchie de la complexité dans la programmation! Comment gérer cette complexité? Comment maîtriser un système qui contient des milliards d interrupteurs? Comment le faire fonctionner? Deux disciplines: électronique et informatique Trois mots d ordre : Hiérarchisation, Encapsulation, Abstraction
Hiérarchisation : les niveaux structurels sont bien défini. On ne voit jamais le 1 milliard de transistors à plat (impossible! ). A chaque niveau hiérarchique, il y a une structure de complexité raisonnable Ceci possible grâce à l abstraction : on ne s intéresse pas à la manière dont est fait un bloc, mais à sa fonction, ses entrées, ses sorties. L abstraction est possible grâce à l encapsulation : réalisation des «clusters» fonctionnels qui cachent la structure interne d un bloc (des boîtes noires), en ne laissant apparent que des entrées, des sorties, et la description de la fonctionnalité. Architecture «globale» Modèle de von Neumann CPU= Central Processor Unit! 19 Input and Output : les dispositifs périphériques (son, vidéo, )! Sommaire Unité centrale Principe de l informatique au niveau matériel Architecture d ordinateur unité centrale, carte mère Bus parallèle, série, performances Mémoire morte, vive Processeur performances Dispositifs périphériques 18 Contient un processeur : interpréter et exécuter des commandes, lire ou écrire des données dans la mémoire, communiquer avec le monde extérieur Fréquence d horloge Nombre d instruction par seconde Largeur du bus de donnée L unité centrale peut contenir d autres blocks auxiliaires (co-processeur ) Concept obsolète: ne s applique pas aux portables, aux tablettes, aux ordinateurs monoblocs 20
Carte mère Carte mère Regroupe tous les éléments de base d un ordinateur : - processeur, «chipset», bus - périphériques : interface réseau, carte son, carte vidéo, etc. Horloge (heure interne) : alimentée avec une batterie 21 23 Carte mère Sommaire 22 Principe de l informatique au niveau matériel Architecture d ordinateur unité centrale, carte mère Bus parallèle, série, performances Mémoire morte, vive Processeur performances Dispositifs périphériques 24
Bus D une manière primitive, un bus est une collection de fil, chacun transmettant 1 bit d information L ensemble des bits transmis sur un bus forment un mot binaire Un bus en tant que système : une collection de fils PLUS des unités de contrôle d accès Un contrôle d accès est nécessaire pour éviter des conflits (par ex., deux dispositifs qui veulent accéder au même bus au même moment). Un bus est caractérisé par le nombre de bits et par le débit 25 Bus Bus d adresse : permet au processeur d adresser une cellule de mémoire ou un dispositif d entrée/sortie pour une communication 27 Bus Largeur de bus : le nombre de fil Débit maximal : la vitesse de transmission de données (bits par seconde) La largeur du bus de donnée détermine le paramètre «nombre de bit de processeur», ex., processeur 32 bits, 64 bits, etc BUS! Bus Pour les cartes vidéo! Exemple : bus PCI, cadencé à 33 MHz, largeur de 32 bits (le bus!!d extension dans les PCs)!! - Bus PCI Express 2.0 500 MB/s (2007) 26 Bus PCI! Pour cartes son, TV, réseau! 28
Sommaire Les mémoires RAM Principe de l informatique au niveau matériel Architecture d ordinateur unité centrale, carte mère Bus parallèle, série, performances Mémoire morte, vive Processeur performances Dispositifs périphériques 29 Composant physique : Organisation logique : Random Access Memory: un terme historique En français : une mémoire vive 31 Hiéarchie des mémoires RAM Statique Une cellule de mémoire stoque une donnée tant que l alimentation est présente 30 32
RAM dynamique RAM : en pratique Stoque des information pendant un temps court ; nécessite un rafraichissement. Avantage : moins de transistors, consommation plus faible Support DIMM ou SIMM (ancien) 33 Mémoire principale 35 RAM : en pratique Mémoire morte (ROM), accessible uniquement en lecture, sert pour le démarrage (BIOS) Mémoire vive (RAM), accessible en lecture et en écriture, sert à stocker les données en cours d exécution du programme Parfois on parle d une mémoire de donnée et mémoire de programme (certaines architectures de microcontrôleur) Les autres types de mémoire (disque dure, DVD) : considéré comme de la mémoire secondaire (infra) DDR = Double Data Rate DDR2: ~1 GO/s DDR3 : 10 GO/S, 34 36
RAM : en pratique Paramètres de RAM : Capacité (en Moctets, à partir de 512 MO par barette). Le «standard» pour un ordinateur moderne est de 2 GO de RAM Temps d accès (fréquence de RAM) : ~1 GHz RAM Cash La mémoire cash : une mémoire très rapide, servant de «tampon» pour les donnée fréquemment utilisées La présence de la mémoire CASH accélère grandement la vitesse d un ordinateur Se trouve dans ou à proximité de processeurs (mais aussi de disques durs, serveurs proxy etc ) 37 39 RAM Cash «Memory wall» : un écart croissant entre les performances de processeur et celles des mémoires Processeurs: progrès en vitesse de 50% / an Mémoire : 10% / an Une soltion : mémoire cash ROM Mémoire dite «morte» : contenu non modifiable ROM=Read Only Memory 38 EPROM / UV EPROM (Erasable Programmable ROM) 40
Mémoire Flash: à mi-chemin entre ROM et RAM Sommaire Re-inscriptible (jusqu à 100 000 cycles) Sans alimentation, l information est conservée Structurellement, une mémoire morte EPROM Principe de l informatique au niveau matériel Architecture d ordinateur unité centrale, carte mère Bus parallèle, série, performances Mémoire morte, vive Processeur performances Dispositifs périphériques 41 Registre 43 Processeur Cellule de mémoire se trouvant immédiatement dans le processeur (en faisant partie) Accès très rapide Inconvenient : petit nombre (dizaine ) Spécialisation (registre d état, d instruction, accumulateurs ) Architecture globale 42 44
Processeur Cycle d instruction phase 1 : lecture du code de l instruction, chargement de données Processeur Cycle d instruction phase 3 : fin de l instruction, reinitialisation 45 47 Processeur Cycle d instruction phase 2 : execution de l instruction Performances d un processeur Fréquence d horloge (1/durée d un cycle) CPI (Cycle par Instruction), nombre moyen de cycle nécessaire à l execution d une instruction MIPS, millions d instruciton par seconde : MIPS = F clk /CPI 46 48
Jeu d instruction et langage de programmation Jeu d instruction : liste de commandes (instructions) comprises par le processeur (addition/soustraction, saut à une adresse, etc ) Les instructions du processeurs sont codées en langage machine (codes binaires) Difficilement maniables par un humain Plusieurs niveau de codage de programme Processeur Architecture du Pentium III 49 51 Jeu d instruction et langage de programmation Niveau de programmation : langage machine, Assembleur, langage de haut niveau Logiciels Exemple d un bout de programme Processeur Fréquence d horloge et la puissance dissipée 50 52
Processeur : refroidissement Sommaire 53 Principe de l informatique au niveau matériel Architecture d ordinateur unité centrale, carte mère Bus parallèle, série, performances Mémoire morte, vive Processeur performances Dispositifs périphériques 55 Processeur Architecture globale Périphériques d entrée sortie Utilité : permettre au processeur de communiquer avec le monde extérieur Liaison avec le processeur : à travers des ports Types de liaison : série et parallèle 54 56
Liaisons parallèle et série Liaison parallèle Liaison série 57 Périphérique vidéo Carte vidéo Décharge le processeur principal de la gestion de l affichage Puissance de calcul plus grande que celle des processeurs principaux : 1000x1000 pixels, renouvelé 75 fois par seconde, traitement graphique complexes Fabricants : ATI, NVIDIA Contient de la mémoire, une BIOS : un ordinateur à part entière 59 Carte vidéo Périphérique vidéo GPU = Graphic Processing Unit: des processeurs extrêmement puissantes, pour générer des images 3D, gérer le flux vidéo, etc. RAMDAC = Convertisseur analogique-numérique, devenu inutile avec l apparition des sorties DVI Mémoire vidéo : un «tampon» pour l affichage 58 Périphérique de stockage : disque dur Caractéristiques :! Capacité de stoquage : jusquà 2 To! Vitesse de rotation : 3600-15000 tours/minute! Taux de transfert : ~100 Mo/S! Interface avec carte mère : IDE (avant 2005), S-ATA! (la plus répandue actuellement)! Avantage: stoquage de gros volumes de données,! Inconvénient : lenteur, fragilité mécanique (présence!!des éléments en rotation, positionnement!!mécanique précis)! Les disques durs magnétiques ont tendance à être remplacés! par les mémoires flash!! 60
Périphérique de stockage : disque dur Périphérique de stockage : bandes magnétiques Caractéristiques :! Capacité de stoquage : des centaines de Go! Durée de vie : jusqu à 40 ans!! Surtout utilisé pour l archivage données/sauvegarde de!!sécurité.! Inconvénient: accès «séquentiel», très lent.! 120Gb-1Tb, 80-100 Mb / s, temps d accès 5 à 15 ms! 61 63 Périphérique de stockage : disque dur 62 DDS tape drive. Above, from left to right: DDS-4 tape (20 GB), 112m Data8 tape (2.5 GB), QIC DC-6250 tape (250 MB), and a 3.5" floppy disk (1.44 MB). 64
Périphérique de saisie : clavier Périphérique de stockage : Mémore optique Mémoire optique : CD/DVD! Surface d un CD! 65 67 Tête lectrice d un CD! Périphérique de stockage : Mémore optique Avantage : support «disque», coté «objet»,!!!historiquement ressemble à un disque vinil.!!!on peut imprimer une image dessus!!!de nos jours, n a pas davantage!!!comparé à une clé USB.!! Capacité : 650 Mo (CD)-15 Go (DVD double couche double face)! Mémoire morte (non-modifiables). Le contenu peut être!!écrit/modifié dans certains cas.! Débit : ~10 Mbits/seconde!! Tendance à devenir obsolète.! 66! Périphérique de saisie : clavier 68
Périphérique de saisie : écran tactile Principe capacitif Conclusion Evolution très rapide des technologies Intégration des composants d ordinateur (miniaturisation) Architectures parallèles et multicœur Apple, 69 Egalement, principe capacitif, infrarouge, jauge de contrainte 71 Autres périphériques Interfaces réseau Interfaces midi (musique, clavier, ) Interfaces son Ce que vous voulez (instruments de mesure, commande de machine) L extensibilité est la principale propriété des architectures d ordinateurs 70