Architecture des ordinateurs

1. Julien Henriet 2006 – 2007 Architecture des ordinateurs

2. Architecture des ordinateurs Références William Stallings, « Organisation et architecture de l’ordinateur, 6ème édition », ISBN : 2-7440-7007-6, éditions PEARSON Education, 2003.

3. Plan général Introduction L’ordinateur Le processeur L’unité de contrôle Organisation parallèle

4. Introduction Vue Fonctionnelle Structure d’un ordinateur Evolution et Performances des ordinateurs Unités de mesure des tailles de la mémoire d’un ordinateur

5. Introduction Vue fonctionnelle Les 4 fonctions de base d’un ordinateur : Traitement des données Opérations arithmétiques, … Mémorisation des données Mémoire à long terme Mémoire à court terme Transfert des données Vers l’extérieur De l’extérieur Contrôle Vérification des opérations possibles et non autorisées

6. Introduction Vue fonctionnelle Traitement des Données mémorisées Transfert simple Mémorisation Traitement des Données externes Environnement de fonctionnement (exploitation) (source et destination des données) Dispositif de Transfert des données Mécanisme de Contrôle Structure de Traitement des données Structure de Mémorisation des données

7. Introduction Vue Fonctionnelle Structure d’un ordinateur Evolution et Performances des ordinateurs Unités de mesure des tailles de la mémoire d’un ordinateur

8. Introduction Structure d’un ordinateur Processeur (CPU = Central Process Unit, Unité Centrale) Contrôle et exécute les fonctions de traitement des données Il peut y en avoir plusieurs Mémoire principale Mémorise les données E/S Transfert les données entre l’ordinateur et son environnement externe Interconnexion des systèmes (Bus Système) Prend en charge la communication entre le processeur, la mémoire principale et les E/S

9. Introduction Structure d’un ordinateur Le processeur est composé de 4 éléments Unité de Contrôle (UC) Contrôle le fonctionnement du processeur et donc de l’ordinateur Unité Arithmétique et Logique (UAL) Exécute les fonctions de traitement des données de l’ordinateur Registres Mémoire interne du processeur Interconnexion du processeur (Bus interne) Prend en charge les communications entre l’UC, l’UAL et les registres

10. Introduction Vue Fonctionnelle Structure d’un ordinateur Evolution et Performances Unités de mesure des tailles de la mémoire d’un ordinateur

11. Introduction Evolution et performances Augmentation constante de la vitesse des processeurs Miniaturisation de la taille des composants  réduction des distances entre les composants  augmentation du nombre de compsants Augmentation de la taille de la mémoire Augmentation des débits des E/S Selon vous, quelles sont les évolutions technologiques constantes en informatique ?

12. Introduction Evolution et performances 1946 : ENIAC John Mauchly et John Presper Eckert, université de Pennsylvanie 2ème guerre mondiale : portée et trajectoire des nouvelles armes 30 tonnes, 500 m² au sol, 18 000 tubes à vide 1 tube = 1 chiffre 5 000 additions par secondes Ordinateur décimal Il fallait brancher et débrancher manuellement des câbles

13. Introduction Evolution et performances 1952 : machine de Von Neumann John Von Neumann Idée : ranger les programmes en mémoire et non plus tout câbler et recâbler à chaque fois Cet ordinateur (l’IAS) a servi de base à tous les autres ordinateurs généralistes Données et instructions sont représentées en code binaire Une UAL est déjà basée sur l’utilisation de registres

14. Introduction Evolution et performances Structure de l’IAS Unité Centrale de Traitement Mémoire Principale (données + instructions) Unité Arithmétique et Logique Dispositif E/S Unité de Contrôle du Programme (interprète les instructions)

15. Introduction Evolution et performances 1950 : commercialisations des premiers ordinateurs UNIVAC I, UNIVAC II puis UNIVAC 1103 par J. Eckert et J. Mauchly 1953 : IBM commercialise le 701 1950 : Bell crée le transistor (en silicium) qui remplacera à la fin des années 50 les tubes à vides dans les ordinateurs  2ème génération d’ordinateurs

16. Introduction Evolution et performances Générations Dates Technologies Nb op/s 1 46 – 57 Tubes à vide 40 000 2 58 – 64 Transistors 200 000 3 65 – 71 Micro électronique, puces et circuits intégrés 1 000 000 4 72 – 77 Intégration à gde échelle 10 000 000 5 78 - Intégration à très gde échelle 100 000 000

17. Introduction Evolution et performances Date Type de processeur (Intel) Nb de transistors / puce 1971 4004 10  3 1978 8086 5. 10  4 1982 (80)286 10  5 1985 (80)386 5. 10  5 1989 (80)486 10  6 1993 Pentium 5. 10  6 1995 Pentium Pro 8. 10  6 1997 Pentium II 9. 10  6 1999 Pentium III 10  7 2000 Pentium IV 7. 10  7

18. Introduction Evolution et performances 4ème et 5ème génération : ordinateurs de bureau et ordinateurs personnels (un ordinateur de 3ème génération coûtait encore 16 000 $ US !!)

19. Introduction Evolution et performances Augmentation de la capacité de stockage sur une puce : 1Kb, 4Kb, 16Kb, 64 Kb, 256 Kb, 1Mb, 4 Mb, 16 Mb, 64 Mb, 256 Mb, 1 Gb Augmentation de la largeur de bus : capacité de lecture et transfert simultané de bits : 386 : 16 ou 32 bits 486 : 32 ou 64 bits Pentiums III et IV : 64 bits  c’est un point critique de l’évolution car l’augmentation de la largeur de bus n’évolue pas au même rythme que la capacité de stockage (mémoire) et de traitement (CPU) Solution : Augmenter le nombre de bits récupérés simultanément Utiliser des espaces mémoire tampon (cache et tampons) au niveau du CPU

20. Introduction Evolution et performances Evolution Processeur INTEL 8086 à 80486 : 8 bits à 64 bits en largeur de bus Pentium : introduction de la parallélisation des traitements des instructions Pentium pro : prédiction des branchements et instructions Pentium II : traitements spécifiques des flux multimedia Pentium III : instructions supplémentaires pour les logiciels graphiques 3D Pentium IV : instructions supplémentaires pour le multimedia Itanium : introduction de l’IA

21. Introduction Evolution et performances Evolution du Power PC (IBM avec système RISC) 601 / 620 : 32 à 64 bits de largeur de bus 740 / 750 (3ème génération) : cache intégré dans la puce du processeur principal 4ème génération : augmentation du parallélisme et de la vitesse interne du processeur

22. Introduction Vue Fonctionnelle Structure d’un ordinateur Evolution et Performances des ordinateurs Unités de mesure des tailles de la mémoire d’un ordinateur

23. Introduction Unités de mesure des tailles ... L’information est codée en binaire : Un bit peut prendre 2 valeurs : 0 ou 1 Un kilobit (noté 1 Kb) est égal à 210 bits Combien bits exactement vaut 1 Kb ? Un mégabit (noté 1 Mb) vaut 210 kilobits Combien de bits exactement vaut 1 Mb ? Un gigabit (noté 1 Gb) vaut 210 mégabits Combien de bits exactement vaut 1 Gb ?

24. Introduction Unités de mesure des tailles... Convertissez les chiffres 1 à 8 en binaire

25. Introduction Unités de mesure des tailles... Dans la plupart des ordinateurs, chaque caractère est codé sur 8 bits Combien de caractères différents est-il possible de coder avec 8 bits ? Un octet = 8bits Attention : la traduction américaine d’un octet est « byte » 1 KB = 1 kilobyte = 1 kilooctet ≠ 1 Kb = 1 kilobit 1 MB = 1 mégabyte = 1 mégaoctet ≠ 1 Mb = 1 mégabit 1 GB = 1 gigabyte = 1 gigaoctet ≠ 1 Gb = 1 gigabit

26. Introduction Unités de mesure des tailles... 1 Ko = 210 octets 1 Mo = ?? Ko = ?? Octets 1 Go = ?? Mo = ?? Ko = ?? octets

27. Introduction Unités de mesure des tailles... Un kilooctet (noté 1 Ko) est égal à ??? kilobits, soient ??? bits Un mégaoctet (noté 1 Mo) est égal à ??? mégabits, soient ??? bits Un gigaoctet (noté 1 Go) est égal à ??? gigabits, soient ??? bits

28. Plan général Introduction L’ordinateur Le processeur L’unité de contrôle Organisation parallèle

29. L’ordinateur Fonction d’un ordinateur La mémoire cache La mémoire interne La mémoire externe Les Entrées/Sorties Support du système d’exploitation

30. L’ordinateur Fonction Exécuter des programmes Les programmes se composent d’un ensemble d’instructions Les instructions sont rangées en mémoire Les composants de l’ordinateur : Processeur Mémoire Module d’E/S Bus système

31. L’ordinateur Fonction Faire un schéma fonctionnel d’un ordinateur à partir de la description faite Mémoire Principale CPU RA CP Bus Système RT RI instruction Unité d’exécution RA E/S instruction instruction RT E/S instruction Module E/S données Tampons données données

32. L’ordinateur Fonction Le processeur lit une à une les instructions dans la mémoire et les exécute Le cycle d’instruction est le traitement nécessaire pour une instruction Lecture d’une instruction Lecture d’une ou plusieurs opérandes Rangement d’une ou plusieurs opérandes Test d’interruption

33. L’ordinateur Fonction le CP (Compteur de Programme) contient l’adresse de la prochaine instruction à lire Il est incrémenté à chaque lecture Le processeur place l’instruction du CP dans le RI (Registre Interne) et incrémente le CP Puis il traite l’instruction

34. L’ordinateur Fonction L’instruction peut être : Une lecture ou une écriture mémoire Une lecture ou une écriture E/S Un traitement arithmétique des données Un contrôle : la prochaine instruction est à l’adresse… (cas des instructions conditionnelles et des appels de sous-programmes) Selon vous, quels types d’instructions trouve-t-on en mémoire ?

35. L’ordinateur Fonction Une interruption peut être : Une interruption programme Dépassement de capacité Division par 0 Instruction illégale Un temporisateur Permet au système d’exploitation d’effectuer régulièrement certaines fonctions Une interruption E/S Exemple : l’utilisateur écrit au clavier Une défaillance matérielle Une interruption comme (son nom l’indique) interrompt le cycle d’instructions ou le programme en cours d’exécution. Selon vous, quels types d’interruptions trouve-t-on ?

36. L’ordinateur Fonction Pour chaque périphérique E/S il y a un gestionnaire d’interruption Un périphérique E/S peut être : Une imprimante Un disque Un modem Un clavier Une souris …

37. L’ordinateur Fonction Les différentes structures de bus : Les lignes de données Transmettent uniquement des données  déterminent les performances Les lignes d’adresses Désignent la source ou la destination des données du bus de données Les lignes de contrôle Contrôlent l’accès et l’utilisation des lignes de données et d’adresse Physiquement, ce sont des lignes métalliques gravées sur la carte

38. L’ordinateur Fonction • Ordinateurs modernes : • Hiérarchisation des bus • Des tampons sont ajoutés entre les bus • Le bus PCI • Bus interne permettant de connecter des cartes d’extension sur la carte mère d’un ordinateur • Bus haut débit • Indépendant du processeur • Meilleurs performances que le bus système •  aujourd’hui, les performances des cartes graphiques sont fonction des bus utilisés : PCI fut supplanté par AGP, puis PCI-Express…

39. L’ordinateur Fonction d’un ordinateur La mémoire cache La mémoire interne La mémoire externe Les Entrées/Sorties Support du système d’exploitation

40. L’ordinateur La mémoire cache Organisation hiérarchique de la mémoire d’un ordinateur Registres du processeur (au plus près du processeur) Mémoire Interne du Système Cache (niveaux L1, L2, …) RAM (mémoire principale du système) Disque dur fixe Mémoire Externe Médias mobiles : ZIP, CD, bandes (temps d’accès plus élevés)

41. L’ordinateur La mémoire cache Pour améliorer les performances : Garder au plus près du processeur (en cache), les accès récents De manière à accéder le moins possible à la mémoire externe

42. L’ordinateur La mémoire cache mots blocs Processeur Cache Mémoire principale (RAM) 1 mot = plusieurs bits (dépend des ordinateurs) 1 bloc = plusieurs mots (dépend des ordinateurs)

43. L’ordinateur La mémoire cache La mémoire cache est une copie de certaines parties de la mémoire principale Lorsque le processeur tente de lire un mot, il vérifie auparavant s’il ne se trouve pas déjà dans le cache. L’accès aux mots est ainsi plus rapide

44. L’ordinateur La mémoire cache Si le mot ne se trouve pas dans le cache, on copie d’abord le bloc dans le cache Puis le cache donne l’accès au mot au processeur  il est fort probable que lorsqu’on souhaite accéder à une information d’un bloc, on souhaite accéder aux informations environnantes de ce mot dans le bloc

45. L’ordinateur La mémoire cache Le cache doit être suffisamment grand stocker toutes les données nécessaires Le cache doit être suffisamment réduit  pour permettre d’accéder aux informations rapidement  hiérarchie de caches

46. L’ordinateur La mémoire cache PowerPC G4 1 cache interne : cache L1 Un cache pour les données de 32 Ko Un cache pour les instructions de 32 Ko 2 caches externes : Cache L2 : cache mixte (données et instructions) de 256Ko à 1Mo Cache L3 : cache mixte (données et instructions) de 2 Mo

47. L’ordinateur La mémoire cache Pentium 4 1 cache interne : cache L1 Un cache pour les données de 8 Ko Un cache pour les instructions de 8 Ko 1 cache externe : cache L2 Un cache mixte (données et instructions) de 256 Ko

48. L’ordinateur La mémoire cache Il existe différents algorithmes pour remplacer les blocs dans le cache Du plus efficace au moins efficace : Moins récemment utilisé LRU : Least Recently Used Premier entré premier sorti FIFO : First In First Out Moins fréquemment utilisé LFU : Least Frequently Used Remplacement aléatoire

49. L’ordinateur La mémoire cache Contrainte du remplacement des blocs du cache : Si le bloc à remplacer a été modifié  reporter la modification en mémoire principale Accès concurrents directs la mémoire principale Par un module E/S Par un autre processeur parallèle (cas des multiprocesseurs)  chaque processeur a son propre cache  penser à reporter la modification dans les autres caches  un bit du cache sert à spécifier la modification d’une ou plusieurs données

50. L’ordinateur Fonction d’un ordinateur La mémoire cache La mémoire interne La mémoire externe Les Entrées/Sorties Support du système d’exploitation