Architecture ordinateur-2-architecture-de-base
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Le document traite de l'évolution de l'architecture de l'ordinateur, en mettant en avant le modèle de von Neumann, qui comprend la mémoire centrale, l'unité de commande et l'unité de traitement. Il décrit les différentes unités et leur rôle, ainsi que les interfaces d'entrée/sortie et le système de bus d'échange de données. Enfin, il présente la nécessité d'optimiser les communications entre les différents composants pour améliorer les performances des ordinateurs.
Architecture ordinateur-2-architecture-de-base
- 1. Architecture de base M. DIENG Abdoulaye Novembre 2014
- 2. Sommaire 1. Evolution de l’architecture de l’ordinateur 2. Modèle de Von Neumann 3. Mémoire centrale 4. Unité de commande 5. Unité arithmétique et logique 6. Interface d'entrée/sortie 7. Unités d’échange
- 3. Évolution de l’architecture de l’ordinateur unité de calcul • Pb : l’Homme perd bcp de temps et commet bcp d’erreurs lorsqu’il effectue certains calculs • Sol : calcul automatique (ordinateur). • Schéma général d'un ordinateur – prendre en entrée des données Ex : les termes d’une addition – effectuer un traitement automatique Ex : une addition – fournir en sortie des résultats Ex : la somme des termes entrés Données Résultats Traitement 12345, 6789 19134 12345 + 6789
- 4. Évolution de l’architecture de l’ordinateur unité de calcul + mémoire • Pb : l’unité de traitement, seul, ne peut pas effectuer des calculs nécessitant des résultats intermédiaires • Sol : ajouter une mémoire qui permettra de stocker les résultats intermédiaires. Mémoire 46 , 102 Flux de résultats intermédiaires 12 + 34 + 56 + 78 Données Résultats Traitement 12, 34, 56, 78 12 + 34 46 + 56 102 + 78 180
- 5. Évolution de l’architecture de l’ordinateur unité de calcul + mémoire + programme • Pb : la machine ne sait toujours effectuer qu'un seul traitement. • Sol : ajouter un « programmateur » qui exécute une suite d’instructions (programme). • Programme stocké sur un support (ruban, carte perforée, …) • Exemple : Architecture utilisée par Babbage en 1834 Mémoire Flux de données Données Résultats Traitement 12, +, 34, -, 56 12 + 34 - 56 -10 Flux d’instructions Programmateur Si '+' alors addition Si '-' alors soustraction ….. 46
- 6. Évolution de l’architecture de l’ordinateur ordinateur à programme enregistré • Pb : le programme peut prendre des décisions selon des résultats intermédiaires. Exemple : résolution d’une équation du second degré • Sol : placer le programme à proximité des traitements intermédiaires • Idée de John Von Neumann en 1945 Flux d’instructions Mémoire Données Résultats Traitement Flux de données Flux d’instructions Programmateur x2 + 3x + 5 = 0 delta = - 11 si delta < 0 alors …. sinon si delta …. Pas de solution réelle
- 7. Modèle de Von Neumann présentation • 1945 : Von Neumann définit l'architecture générale d'un ordinateur avec ces composants : – Mémoire centrale : stocker données et programme – Unité de commande : contrôler les opérations – Unité de traitement : effectuer les opérations – Interface d'entrées/sorties : communiquer avec l’extérieur • Ces différents organes étant reliés par une unité d’échange (bus).
- 8. Modèle de Von Neumann schéma Processeur Mémoire Unité de contrôle Unité de traitement Interface d’E/S Bus
- 9. Mémoire principale présentation • La mémoire est un dispositif capable d'enregistrer une information, de la conserver (mémoriser) et de la restituer. • La mémoire principale contient les programmes et les données qui sont en cours de traitement ; • Le temps d’accès à la mémoire et sa capacité sont deux éléments qui influent sur le temps d’exécution d’un programme (performances d’une machine).
- 10. Mémoire principale 00011100 00111100 01101100 00001100 00011100 0000 0001 0002 ……. ……. …….. Contenu d’un mot mémoire FFFF Une adresse 10 vue logique • La mémoire peut être vue comme une armoire avec des tiroirs (mots mémoires). • Un mot mémoire est l’unité d’information accessible en une seule opération. • Un mot mémoire stocke une information sur n bits. (n = 8, 16, 32 ou 64 selon le μP) • Chaque mot mémoire possède sa propre adresse. • Une adresse est un numéro unique qui permet d’accéder à un mot mémoire. • Les adresses sont séquentielles. • L’accès aux mots mémoires est dit aléatoire ou direct
- 11. • Bus d’adresses qui véhicule l’adresse du mot mémoire à lire ou à modifier • Décodeur d’adresses : permet de sélectionner un mot mémoire. • Bus de contrôle véhicule les commandes provenant de l’unité centrale (R/W) • Matrice des points mémoires • Tampon E/S : mise à niveau des infos à lire ou à écrire • Bus de données véhicule l’information lue à partir de la mémoire ou l’information à écrire dans la mémoire Bus d’adresse Bus de données D E C O D E U R Tampon d’E/S Mémoire principale structure Bus de contrôle
- 12. Unité de contrôle présentation • Le rôle de l'unité de contrôle est : – de coordonner le travail de toutes les autres unités – d'assurer la synchronisation de l'ensemble. • Elle assure : – la recherche (lecture) de l’instruction et des données à partir de la mémoire ; – le décodage de l’instruction en cours ; – L’envoi des signaux de commande – la préparation de l’instruction suivante.
- 13. Unité de contrôle composition L'unité de commande (UC) est constituée des éléments suivants : • compteur ordinal (CO) qui contient l’adresse du mot mémoire stockant la prochaine instruction à exécuter ; • registre d'instruction (RI) qui contient le code de l'instruction à exécuter ; • décodeur qui détermine l'opération à exécuter à partir du code de l'instruction ; • séquenceur qui génère les signaux de commandes nécessaires pour actionner et contrôler les unités participant à l’exécution d’une instruction ; • horloge qui distribue régulièrement des impulsions pour synchroniser les opérations élémentaires.
- 14. Unité de contrôle schéma
- 15. Unité de traitement présentation L'unité de traitement est composée des éléments suivants : • L'unité arithmétique et logique (notée ALU pour Arithmetical and Logical Unit) qui assure les fonctions basiques de calcul arithmétique et les opérations logiques (ET, OU, Ou exclusif, etc.) ; • Le registre accumulateur (ACC), stockant les opérandes et résultats des opérations arithmétiques et logiques ; • Le registre d'état (PSW, Processor Status Word), permettant de stocker des indicateurs sur l'état du système (dépassement(O), retenue(C), signe(S), zéro(Z)).
- 16. Unité de traitement schéma
- 17. Interface d’entrée/sortie présentation Une interface (ou contrôleur) d’entrée/sortie permet au microprocesseur : • de recevoir des informations ou des commandes (boutons de commande, capteurs de températures, clavier, souris d’ordinateur, etc.) • d’envoyer des informations ou des commandes (commande de moteurs, de lampes, écrans, imprimantes, etc. • de stocker des informations de manière permanente et de les relire (disque dur, CD/DVD, bandes magnétiques, clés amovibles, ...)
- 18. Interface d’entrée/sortie présentation (suite) • Un contrôleur d’entrée/sortie, placé, entre le bus et le périphérique, est chargé de : – piloter l’opération d’entrées/sorties à la place du processeur ; – formater les données et de les mémoriser temporairement pour adapter leur format et la vitesse de leur transfert ; – permettre le branchement de divers modèles de périphériques via une interface externe standardisée (interfaces PS/2, SATA, USB, FireWire…).
- 19. Interface d’entrée/sortie composition Un contrôleur d’entrée/sortie contient : • une logique de commande pour piloter le périphérique ; • une mémoire interne pour mémoriser les données en circulation ; • une interface externe standard pour connecter le périphérique
- 20. Interface d’entrée/sortie schéma Contrôleur d’E/S Tampon d’E/S Logique de commande Interface externe Périphérique
- 21. Unité d’échange présentation Pb : optimiser l’échange de données entre les composants Sol : mutualiser les voies de communication Unité d’échange ou bus = système de câblage permettant la circulation des données (signaux électriques) entre les autres composants de l’architecture. Objectif : réduire le nombre de « voies » nécessaires à la communication des différents composants, en mutualisant les voies de données.
- 22. Unité d’échange bus de données • Permet au microprocesseur de recevoir des informations (données et instructions) depuis la mémoire ou les entrées • Permet au microprocesseur d’envoyer des données à la mémoire vive ou aux sorties • Est bidirectionnel
- 23. Unité d’échange bus de commande • Permet au microprocesseur de sélectionner un composant. • Permet au microprocesseur de valider la sortie du composant accessible en lecture sélectionné. Le composant pourra ainsi utiliser le bus de données. • Permet au microprocesseur d’indiquer s’il veut effectuer une opération de lecture ou d’écriture. • Permet à une interface d’E/S d’envoyer une interruption au microprocesseur • Le bus de commande est bidirectionnel
- 24. Unité d’échange bus d’adresses • Permet au microprocesseur d’indiquer à la mémoire l’adresse dans laquelle il veut lire ou écrire • Permet au microprocesseur d’indiquer au circuit d’entrées/sorties dans quel port de sortie il veut écrire • Permet au microprocesseur d’indiquer au circuit d’entrées/sorties dans quel port d’entrée il veut lire • Il est unidirectionnel
- 25. Unité d’échange décodeur d’adresses • Pb : le bus de données étant partagé, comment sélectionner un seul composant ? • Solution : – Attribuer à chaque composant une plage d’adresses – Un décodeur d’adresses chargé de fournir les signaux de sélection de chacun des composants.
- 26. Unité d’échange schéma Bus de contrôle Mémoire Unité de contrôle Bus de données Interface d’E/S Unité de traitement Processeur Bus d’adresses Décodeur d’adresses