Architecture Matérielle et Logicielle Cours 1 : architecture matérielle

Architecture Matérielle et Logicielle Cours 1 : architecture matérielle A la fin de ce cours, vous devrez être capable : d identifier les principaux composants d un ordinateur, de préciser les fonctions des différents composants. ENIAC- 1946 Apple II - 1977 Microsoft Windows 1990 IPad - 2010 Ordinateur de calcul balistique Ordinateur personnel Ordinateur personnel Tablette tactile Evolution des systèmes de calcul L informatique, contraction d information et automatique, est la science du traitement de l information. Apparue au milieu du 20 ème siècle, elle a connu une évolution extrêmement rapide. À sa motivation initiale qui était de faciliter et d accélérer le calcul, se sont ajoutées de nombreuses fonctionnalités, comme l automatisation, la commande de processus, la communication ou le partage de l information. D une manière générale, ces systèmes se composent : de matériels (hardware) comme l unité centrale, les différentes mémoires, les périphériques entrées-sorties de logiciels (software - objet du cours suivant) qui correspondent à un ensemble d instructions ou programmes contenus dans les mémoires du système et qui définissent les actions effectuées par le matériel. Modèle de Von Neumann Pour pouvoir exécuter des programmes et algorithmes, les ordinateurs actuels sont tous bâtis autour d un même modèle architectural théorique appelé l architecture de Von Neumann. Processeur BUS L architecture de Von Neumann comprend : un processeur composé d une unité de contrôle, d une unité de calcul arithmétique et logique UAL et de registres, des mémoires à accès direct (mémoire vive), des périphériques internes et externes à l ordinateur, des bus qui sont les canaux de communication entre la mémoire, le processeur et les périphériques. Dans la suite de ce cours, nous détaillerons les rôles de ces principaux composants retrouvés dans un ordinateur. Lycée Vauvenargues PTSI 1/8

1 Architecture interne d un ordinateur La figure suivante montre les différents composants retrouvés à l intérieur d un ordinateur suivant le modèle d architecture de Von Neumann. 2 La carte mère La carte mère est l élément central d un ordinateur. Lycée Vauvenargues PTSI 2/8

Elle comporte : le processeur, cerveau de l ordinateur, qui exécute les programmes et instruction machine, la mémoire vive (de type RAM) qui permet de mémoriser temporairement les données lors des calculs du processeur par exemple. Cette mémoire est perdue lors de l arrêt de l ordinateur, le chipset qui gère les flux de données entre le processeur et les divers composants de la carte mère, l horloge interne qui cadence les calculs du processeur et synchronise le flux des informations, le BIOS (Basic Input/Output System), logiciel directement installé sur la carte mère, qui permet lors du démarrage d assurer la communication entre le matériel et le système d exploitation (voir cours suivant), la pile CMOS, mémoire capable de stocker des informations et de les conserver même lorsque l ordinateur est éteint. Son contenu est maintenu par l énergie électrique fournie par la pile. Elle contient par exemple la date et l heure, données régulièrement mises à jour, une carte graphique intégré, une carte son intégrée, un ensemble de contrôleurs d entrées/sorties aux rôles divers : communications avec le disque dur, les ports type USB, RJ45, 2.1 Le processeur Processeur Intel Core i7 4 Ghz, 8 Mo cache, 4 coeurs Le processeur (ou CPU pour Central Processing Unit) est constitué essentiellement de trois parties : l unité de commande et de contrôle qui cherche les instructions en mémoire, les décode et coordonne le reste du processeur pour les exécuter. Cette unité se compose d un registre d instruction et d une unité «décodeur / séquenceur» liée au signal d horloge, l Unité Arithmétique et Logique (UAL) qui exécute les instructions arithmétiques et logiques demandées par l unité de commande. Les instructions peuvent porter sur une ou plusieurs opérandes. La vitesse d exécution est optimale quand les opérandes se situent dans les registres plutôt que dans la mémoire externe au processeur, les registres qui sont des mémoires internes au processeur (mémoire cache). Ils sont peu nombreux mais d accès très rapide. Ils servent à stocker les variables, les résultats intermédiaires d opérations (arithmétiques ou logiques) ou encore des informations de contrôle du processeur. Un processeur 8 bits aura des registres d'un octet = 8 bits. L horloge, cadencée par un oscillateur à quartz, émet régulièrement une suite d impulsions, comme un métronome, qui sert à séquencer les opérations du processeur. Une fréquence d horloge de 1 Ghz signifie qu une instruction peut être réalisée tous les milliardièmes de secondes!!! La puissance de calcul d un ordinateur dépend donc du nombre de cœurs du processeur, de la taille de sa mémoire cache, de l architecture du processeur et de sa fréquence d horloge. Lycée Vauvenargues PTSI 3/8

2.2 Le chipset et les bus Le rôle du chipset est de gérer les flux de données entre le processeur et les composants de la carte mère. Il est souvent décomposé en deux composants (correspondant à des puces électroniques) : le Northbridge qui gère les flux des composants «rapides» : le processeur, la mémoire cache ou le bus graphique, le Southbridge qui gère les flux des composants «lents» : le disque dur et les différents périphériques. Le terme bus désigne un ensemble de fils support de l information. Il existe deux grands types de bus : le bus série : il comporte plusieurs fils, dont la masse (référence de potentiel), le fil de données, le fil d horloge. Les données sont transmises en série les unes à la suite des autres (ex : nappe SATA pour Sérial Advanced Technology Attachement), le bus parallèle : il comporte un fil de masse, un fil d horloge, et n fils de données pour un bus n bits ; les données sont transmises en parallèle (ex : nappe IDE pour Integrated Drives Electronics). Remarque : on utilise de plus en plus des bus séries entre la carte mère et les différents périphériques (comme le disque dur). Ainsi, après le tout IDE, bus parallèle qui a été massivement utilisé dans les ordinateurs, le bus SATA est de plus en plus utilisé afin de pallier aux problèmes de perturbations électromagnétiques constatés à haute fréquence sur les bus IDE. Plusieurs normes SATA ont été développées. Norme SATA I SATA II SATA III Débit 187,5 Mo/s 375 Mo/s 750 Mo/s Nappe IDE Nappe SATA Lycée Vauvenargues PTSI 4/8

3 Les mémoires On retrouve trois types de mémoire dans l architecture d un ordinateur : les disques durs (dits mémoires de masse), les mémoires RAM et les mémoires ROM. 3.1 Mémoire de masse 3.1.1 Le disque-dur magnétique Le disque dur (HDD Hard Disk Drive) doit son nom à sa technologie à l époque où existaient encore les disques souples ou disquettes. La capacité des disques durs actuels atteint les 4 To (téraoctet). Lorsqu ils sont connectés en SATA, le débit est de 100 Mo/s à 150 Mo/s pour un temps d accès de l ordre de 12 ms. Pour améliorer les performances d accès aux données, ils possèdent une mémoire cache pouvant aller jusqu à 128 Mo sur laquelle sont stockées les informations fréquemment utilisées. Principe de fonctionnement Un disque dur est composé de disques rigides et paramagnétiques (en aluminium, en verre ou en céramique) recouverts d une couche magnétique et d un film protecteur. Ces plateaux sont entraînés par un moteur électrique dont la fréquence de rotation est fixe. La fréquence de rotation peut atteindre les 15 000 tr/min. Un bras, sur lequel sont fixées les têtes de lecture écriture, est aussi motorisé pour atteindre les différentes parties du disque. La distance entre les têtes et les plateaux est de l ordre de 10 nm. Elle est maintenue par un coussin d air formé lors la rotation des disques. Les têtes de lecture écriture sont inductives et permettent de générer un champ magnétique dans deux sens opposés afin de polariser la couche magnétique du disque. Ainsi, en mode lecture les changements de polarité sont transcrits par un convertisseur analogique numérique (appelé CAN) en bits (de valeur 0 ou 1 selon la polarité). Les données sont organisées en pistes concentriques, les données les plus rapidement accessibles étant celles situées sur le disque extérieur. Chaque piste est divisée en secteurs d un minimum de 512 octets. Remarque : un secteur n est pas l unité de stockage minimale d un disque dur. En fonction de la taille et du type de partition (FAT 32 ou NTFS) le bloc minimum - ou cluster - sera plus ou moins grand. Par exemple, une partition de 32 Go aura un cluster de 16 Ko en FAT32 et de 4 Ko en NTFS, soit respectivement 32 et 8 secteurs. A: plateaux - B:Bras - C:Tête inductive - D:cylindre - E:piste - F:secteur 3.1.2 Disque dur SSD Solid State Drive Basé sur la technologie des mémoires flash (composants électroniques), le SSD est en voie de démocratisation et constitue à priori l'avenir du stockage de masse en raison de ses performances (voir tableau ci-dessous). Caractéristiques Disque dur magnétique HDD Temps d'accès 12 ms 0.1 ms Disque dur SSD Débit 100 Mo/s à 150 Mo/s 500 Mo/s Poids De 400g à 700g De 40 à 80 g Consommation en veille 1 W environ 0,1 W Consommation en activité 4 W environ 0,9 W Bruit En moyenne 40 db 0 db Les chiffres sont donc sans appel... Le SSD représente l'avenir. Deux critères penchent néanmoins en sa défaveur, mais sont certainement gage de jeunesse et de nouveauté : son prix, presque 10 fois plus cher au Go que le disque dur magnétique, certaines technologies de SSD présentent une «usure» rapide et sont ainsi limitées à un certain nombre de cycles lecture/écriture. Lycée Vauvenargues PTSI 5/8

3.1.3 Disque dur hybride Le disque dur hybride est un compromis entre un disque dur HDD conventionnel et un disque dur SSD. C'est un disque dur mécanique auquel on a adjoint un volume mémoire flash de quelques Go. L'intérêt est une réduction très nette du prix du disque dur pour des performances accrues tout en limitant les risques de pertes de mémoire. Exemple : le disque hybride WD Black SSHD avec 1To en stockage classique et 24Go de mémoire NAND Flash. 3.2 Les mémoires RAM ou mémoires vives Les mémoires de type RAM (Random Access Memory Mémoire à accès aléatoire) sont des mémoires dites volatiles, c est-à-dire dont le contenu disparaît en absence d alimentation. Elles sont utilisées par les ordinateurs comme mémoire de travail du système. Les mémoires cache du processeur sont également des mémoires RAM. Une autre grosse différence avec les mémoires ROM est le temps d accès. Il est de l ordre de 10 nanosecondes pour une mémoire RAM pour une capacité de l ordre de quelques Go. Principe de fonctionnement Les mémoires RAM sont constituées de centaines de milliers de petits condensateurs emmagasinant des charges. Lorsqu'il est chargé, l'état logique du condensateur est égal à 1, dans le cas contraire il est à 0, ce qui signifie que chaque condensateur représente un bit de la mémoire. Etant donné que les condensateurs se déchargent, il faut constamment les recharger (le terme exact est rafraîchir) à un intervalle de temps régulier appelé cycle de rafraîchissement (de l ordre de 15 ns). Une fois l ordinateur éteint tous les condensateurs sont déchargés, ce qui explique la perte des données en mémoire RAM. 3.3 Les mémoires ROM ou mémoires mortes Historiquement, les mémoires ROM (Read Only Memory) étaient effectivement des mémoires en lecture seule. Leur grosse différence avec les mémoires RAM est que leur contenu perdure malgré l'absence d'alimentation. Elles sont donc utilisées pour stocker les programmes et informations de démarrage (BIOS, Setup CMOS écran disponible au démarrage, le POST Power-On Self Test programme de test du système à l allumage, ). Actuellement, on utilise le plus souvent des EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) qui sont des mémoires reprogrammables accessibles en lecture et en écriture. Pour une puce ROM du type de celles utilisées pour le BIOS ou la CMOS, le temps d'accès est de l'ordre de 150 nanosecondes. Leur capacité varie selon le support considéré (puce qq Mo, clé USB qq Go, SSD qq To). Principe de fonctionnement d une EEPROM Soumises à une tension, elles peuvent changer d'état et passer du 0 au 1, et inversement. Ces états restent figés lorsqu'elle n'est plus soumise à une tension électrique (ordinateur éteint ou mémoire déconnectée de l ordinateur). Si l'appellation ROM désigne le plus souvent les puces mémoires présentes sur la carte mère, on retrouve également des mémoires de type ROM dans : les CD-ROM, les DVD-ROM, les Blu-ray, les disques SSD, les cartes SD des appareils photos et les clefs USB. On parle alors de mémoires Flash. Lycée Vauvenargues PTSI 6/8

4 Communications externes La figure suivante montre les différents ports - périphériques entrée/sortie - retrouvés au dos d un ordinateur. 4.1 Le port USB L USB (pour Universal Serial Bus bus série universel) est un protocole de communication apparu en 1996. Ce protocole série a révolutionné les connexions entre ordinateur et périphériques en instaurant un environnement «tout USB», uniformisant les modes de communication avec l ordinateur... C est sans doute le bus de communication le plus utilisé. Ses principaux concurrents sont désormais les protocoles sans fil Bluetooth et Wifi. Version USB1.0 USB1.1 USB2.0 USB3.0 Débit 0,19 Mo/s 1,5 Mo/s 60 Mo/s 600 Mo/s La technologie USB a pour caractéristique de fournir l alimentation électrique aux périphériques qu elle relie, dans la limite de 15 W maximum par périphérique. Elle utilise pour cela un câble composé de quatre fils : l alimentation VBUS 5Volts (broche 1), les deux fils de données appelés D- et D+(respectivement broche 2 et 3) et la masse GND (broche 4). Connecteur USB type A Connecteur USB type B 4.2 Le port PS/2 Ce port de communication de taille réduite ayant succédé au PS/1 plus encombrant permet la connexion du clavier et de la souris. Créé par IBM en 1987, il est de plus en plus remplacé par le port USB. Lycée Vauvenargues PTSI 7/8

4.3 Le port série RS232 Les connecteurs du port série sont de type D-SUB9 avec 9 fils. Historiquement, le port série est le 1 er port de communication utilisant une transmission série selon la norme RS232. Son débit est au maximum de 19200 bps (bits par seconde). Il a été très longtemps utilisé pour sa simplicité de configuration et de pilotage. C est d ailleurs le protocole de communication mis en œuvre pour un grand nombre de système du laboratoire de SI : MAXPID, Robot Jockey, Plateforme 6 axes, etc. A noter cependant que si certains ordinateurs ont encore un port COM1 RS232, la plupart utilise un adaptateur RS232-USB pour communiquer. 4.4 Le port parallèle Les connecteurs du port série sont de type D-SUB25 avec 25 fils. Le port parallèle est un port basé sur un protocole unidirectionnel de communication parallèle. Il est en voie d obsolescence, comme le port série RS232. Il était le plus souvent utilisé pour la communication entre l ordinateur et l imprimante. Le débit maximum est de 16 Mbps. 4.5 Le port réseau RJ45 Le port RJ45 (Registred Jack) permet la connexion filaire par câble au réseau Ethernet (réseau de type LAN : Local Area Network). Les cartes réseau des ordinateurs actuels permettent également une connexion Wi-Fi (Wireless Fidelity). La connexion au réseau local se fait alors sans fil, elle est assurée par l intermédiaire d ondes électromagnétiques. Différentes normes physiques définissent le débit de la transmission en fonction de la portée, mais cette connexion reste encore moins performante que la connexion filaire RJ45. 4.6 Les ports vidéo et son Le Port VGA (Video Graphics Array) est le port historique de connexion d un écran. Le connecteur de type D-SUB15 à 15 broches. Ce port est de type analogique. Le port DVI (Digital Visual Interface) est de type numérique non HD. Il apporte une amélioration en termes de réduction du bruit par rapport au port VGA. Le Port HDMI (High Definition Multimedia Interface) est de type numérique permettant la transmission de signaux au format HD. A terme il devrait remplacer les ports vidéo précédents. Les ports audio permettent de connecter des enceintes, un micro ou un lecteur externe. Lycée Vauvenargues PTSI 8/8