Chapitre 3 Architecture (PDF)

Économie et management.
Informatique.

Année
2013 - 2014

Chapitre 3 :
Architecture.

C. Cantarella.

I _ Introduction.
→ Ordinateur : automate programmable capable de traiter de l'information.
→ Automate : objet mathématique et matériel.
→ Programmable : non dédié à une tâche.
→ Tâche décrite par une suite d'instructions : algorithme.
→ Information : codage.
→ Architecture d'un ordinateur : description des organes fonctionnels et des interconnexions.
→ Architecture Von Neumann.
→ Unité de commande.
→ Unité arithmétique et logique : ALU (Arithmetic Logic Unit).
→ Unité de mémoire.
→ Unité d'entrée et sortie : périphériques.

II _ Fonctionnement général.
→ RAM : Toutes les informations (commandes et données) de tous les programmes qui tournent à un
moment donnée.
→ Cache : commandes et données qui vont être traitées bientôt.
→ Registres : commandes et données traitées à un instant donné.
→ BUS : circulation des informations.
→ ALU : réalisation des opérations.
→ Unité de contrôle : pilote le tout.
→ Démarrage : BIOS (Basic Input Output System).
→ BIOS : instructions élémentaires au démarrage.
→ Contenu dans la mémoire morte : non supprimable.
→ Prise en main du système d'exploitation.
→ Vérifications diverses.
→ Chargement des tâches (processus) dans la mémoire vive (RAM).
→ Exécution des tâches (processus) du système d'exploitation par le processeur.
→ Système d'exploitation.
→ Tourne.
→ Pilote les échanges avec l'utilisateur.
→ Attend les commandes.
→ Lancement d'un programme.
→ Chargement en mémoire vive (RAM).
→ Processus associés.
→ Informations associées.
→ Système d'exploitation et programme.
→ Système d'exploitation : gestion des interactions avec l'utilisateur.
→ Processeur : exécution des processus associés et échange d'informations mémoire vive.
→ Accès disque dur : si besoin.
→ Fonctionnement en cycle.
→ Programme : divisé en tâches (instructions) élémentaires que le processeur sait résoudre.
→ Cycle : séquentiel.
→ Traite une tâche à la fois.
→ Réalisation du cycle.
→ Ordre.
→ Chargement des données et d'une instruction de la cache vers les registres.
→ Exécution.
→ Transfert des résultats vers la cache.
→ Retour à un.
→ Informations supplémentaires.
→ Transfert cache-RAM : si besoin.
→ Arrêt pour interaction avec l'utilisateur : si besoin.
→ Tâche suivante : quand fin du temps ou fin de la tâche en cours.

→ Exécution des programmes.
→ Commandes.
→ Ordres provenant de l'utilisateur.
→ Ordres provenant des applications.
→ Problèmes à régler.
→ Ordre de traitement des tâches : une seule tâche à la fois.
→ Place dans la mémoire vive.
→ Aller le plus vite possible.
→ Fin de l'exécution du programme.
→ Retour à l'état antérieur.
→ Nettoyage de la mémoire vive.
→ Système d'exploitation : tourne et attend les prochaines commandes.
→ Réalisations par composants.
→ Carte mère : fonctionnement par cycle.
→ Processeur : calculs.
→ Mémoires internes : stockage des informations.
→ Périphériques : permettent les interactions avec l'extérieur.
→ Bus : circulation des informations entre les organes internes et avec les périphériques.
→ Point important : comportement séquentiel.
→ Une seule tâche à la fois : une tâche après l'autre.
→ Même pour un ordinateur multi-tâches ou multi-cœurs.
→ Architecture.
→ Similitudes.
→ Organisation générale.
→ Codage des informations.
→ Différences de performance.
→ Processeur.
→ Fréquence du processeur.
→ Taille des mémoires.
→ Fréquence des bus.
→ Quelques grandeurs importantes.
→ Quantité d'informations stockées dans les mémoires : bit, octet, etc.
→ Fréquence à laquelle les différents appareils fonctionnent : Hz.
→ Débit des transferts : b/s.

III _ Mémoires internes.
→ Mémoire informatique.
→ Suite de bits : BInary digiT.
→ Regroupés en octet (bytes) : 8 bits.
→ Kilooctets (Ko) : 210 octets.
→ Mégaoctets (Mo) : 220 octets.
→ Gigaoctets (Go) : 230 octets.
→ Téraoctets (To) : 240 octets.
→ Différence : KB et Kb.

1 _ Codage de l'information.
→ Codage de l'information.
→ Système binaire ou base 2.
→ 0, 1, 10, 11, 100, etc.
→ 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024.
→ Exemple : (13)10 = 1x23+1x22+0x21+1x20=(1101)2.

→ Quantité d'informations.
→ 1 bit : 2.
→ 4 bits : 16.
→ 8 bits : 256 ( 1 octet).
→ Sur n bits : nombre maximum représentable = 2n.
→ Système binaire : utilisé pour toutes les grandeurs informatiques.
→ Informations à coder : notion de portabilité.
→ Instructions : codage particulier à chaque machine (langage machine).
→ Non-portable.
→ Données : 3 types.
→ Caractères.
→ Entiers : positifs et négatifs.
→ Réels.
→ Codage des caractères.
→ Un caractère : code numérique.
→ Différents codages.
→ ASCII : 256 combinaisons.
→ UNICODE sur 16 bits : 65.536 combinaisons.
→ Regroupe tous les alphabets.
→ Compatible ASCII.
→ Code de A en ASCII étendu : 65.
→ Portable.

→ Codage des entiers.
→ Codage en base 2 et système du « complément à 2 ».
→ On ne peut pas coder n'importe quelle valeur.
→ Cela dépend de la place que le système réserve pour stocker l'information.
→ Exemple.
→ Sur 1 octet : -128 à +127 [-2(8-1) à 2(8-1)].
→ Sur 2 octets : -32.768 à +32.767 -2(16-1) à 2(16-1).
→ Sur 4 octets : -2.147.483.648 à +2.147.483.648.

→ Portable.
→ Sur n bits : nombre max représentable = 2n.
→ Codage des réels.
→ Codage en base 2.
→ (3,25)10 = (11,01)2.
→ (3)10 = (11)2.
→ (0,25)10 = (1/4)10 = (0,01)2.
→ Représentation du résultat : système dit de la « virgule flottante ».
→ Réel = Mantisse x BaseExposant.
→ 125,12 = 1,2512 x102.
→ 110,011 = 1,1001 x 22.
→ Portable.

2 _ Mémoires vives.
→ Mémoires internes : intégrées dans l'unité centrale.
→ Stockage temporaire de l'information.
→ Différentes mémoires internes.
→ Centrale.
→ Cache.
→ Registres.
→ Deux grandes catégories.
→ Mémoires vives : RAM.
→ Besoin d'électricité : mémoire à court terme.
→ Mémoires mortes : ROM.
→ Non-besoin d'électricité : mémoire à long terme.
→ Mémoire interne : mémoire centrale (RAM).
→ RAM : Random Access Memory (mémoire vive volatile).
→ Mémoire à semi-conducteurs.
→ Centaines de milliers de petits condensateurs emmagasinant des charges.
→ Associés à des transistors qui servent d'interrupteur.
→ Chargé = 1, sinon 0.
→ Chaque condensateur : représente un bit de la mémoire.
→ Capacité actuelle : de 1 à 8 Go.
→ Standard : 4 Go.
→ Qualité de la RAM : rapidité d'échange avec le processeur.
→ Temps d'accès à l'information.
→ Temps de latence.
→ Fréquence.
→ SDRAM : Synchronous Dynamic RAM.
→ DDR : Double Data Rate.
→ Plusieurs versions : DDR, DDR2 (2003) et DDR3 (2007).
→ Prix : environ 60 € les 2 Go.

→ Problème : taille de la RAM.
→ Partitionner : toutes les instructions et données.
→ Mémoire virtuelle.
→ Pagination : swapping.
→ Mémoire interne : la cache.
→ Mémoires à accès très rapide : capacité réduite car coût supérieur.
→ Trois niveaux.
→ L1 : intégrée à chaque cœur du processeur.
→ L2 : selon les processeurs, intégrée à chaque cœur ou bien partagée entre les cœurs.
→ L3 : partagée par les cœurs.
→ Taille : quelques Mo pour la L2 et la L3.
→ Mémoire interne : registres.
→ Nombre limité et taille réduite.
→ Stockent les instructions élémentaires et les données traitées par le processeur en un cycle.

IV _ Processeur.
→ Processeur.
→ Composé de millions de transistors.
→ Sait exécuter un « jeu d'instructions » calculs, instructions spécialisées pour la vidéo, etc.
→ Deux types de processeurs.
→ CISC : Complex Instruction Set Computer.
→ Sait exécuter un ensemble d'instructions complexes.
→ Exemple : inverser une matrice ou résolutions graphiques.

→ RISC : Reduced Instruction Set Computer.
→ Pas plus d'une centaine d'instructions élémentaires : très rapidement.
→ Processeur 32 bits et 64 bits : cohérence globale avec les bus et la RAM.
→ Caractérisé par sa fréquence (GHz) : nombre de cycles par seconde.

1 _ Vitesse.
→ Processeur.
→ Vitesse : i/s = i/c * c/s.
→ i/s : instructions par seconde (ips).
→ i/c : nombre instructions par cycle.
→ Dépend de l'architecture du processeur.
→ c/s : nombre de cycles par secondes (Hz).
→ Problème de chaleur : on ne peut pas augmenter la vitesse indéfiniment.
→ Overclock : sur-fréquençage.
→ Vitesse globale du processeur : dépend également des BUS et de la RAM.

2 _ Historique.
→ Avant les années 2000.
→ Intel : association avec IBM et Microsoft.
→ La famille des 8086 : 80286, 286, 486, Pentium I, II, III, IV.
→ Céléron.
→ Centrino.
→ AMD.
→ AMD386, AMD486, K5, Athlon.
→ Duron.
→ Dans les années 2000.
→ Course à la vitesse entre les « fondeurs » : augmentation des fréquences au-delà de 3 GHz.
→ Problème de chauffe des processeurs : ventilateur non efficace, trop gros, trop bruyant.
→ Limite atteinte.
→ Solution : augmenter le nombre d'instructions par cycle en utilisant plusieurs cœurs.
→ Depuis 2000 : multi-cœurs (IBM 2001 / Intel 2005).
→ Nombres de cœurs.
→ Dual Core : double cœur.
→ Quad Core : quadruple cœur.
→ Xcore : multi-cœurs.
→ Vitesse : i/s = i/c * c/s.
→ Fréquence (c/s) : moins élevée.
→ Instructions par cycle (i/c) : plus élevées.
→ Instructions par secondes (i/s) : plus élevées.

→ Partage : pas de parallélisme.
→ Avantages.
→ Fréquence moins haute : moins de chaleur.
→ Partage possible du travail.
→ Multiplication du nombre de cœurs.
→ Inconvénients.
→ Adapter les logiciels et surtout le système d'exploitation.
→ Sinon : un seul cœur utilisé et donc perte de vitesse.
→ Intel.
→ Core 2 Duo, Core 2 Quad.
→ Core i3 : entrée de gamme, 2 cœurs, 3 à 4 Mo de cache.
→ Core i5 : gamme moyenne, 2 à 4 cœurs, 3 à 8 Mo de cache.
→ Core i7 : haute gamme, 4 à 6 cœurs, 3 à 10 Mo de cache .
→ AMD.
→ Sempron : remplace le duron, mono core.
→ Athlon II X2 : 2 cœurs, 2 Mo de cache L2, pas de L3.
→ Athlon II X4 : 4 cœurs, 2 Mo de cache L2, pas de L3.
→ Phenom X3 : 3 cœurs, 1.5 Mo de cache L2, 6 Mo de cache L3.
→ Phenom X4 : 4 cœurs, 2 Mo de cache L2, 4 à 6 Mo de cache L3.
→ Prix : de 60 € à 800 €.
→ Informatique nomade.
→ Intel : Atom pour les netbooks.
→ 1 ou 2 core et 512 Ko à 1 Mo de cache.
→ Processeur pour serveur.
→ Intel : Xeon.
→ 8 cœurs et 24 Mo de L3 cache.
→ AMD : Opteron.
→ Jusqu'à 12 cœurs.