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Architecture Logicielle et matérielleCours 1 : Introduction

D’après les transparents de N. Louvet(Univ Lyon1 - LIF6 printemps)

Laure Gonnordhttp://laure.gonnord.org/pro/teaching/

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Licence d’info - Université Lyon 1 - FST

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Plan

1 Organisation de l’ordinateur par niveaux

2 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateurLa préhistoire. . .1945-1955 : les tubes électroniques1955-1965 : les transistors1965-1980 : les circuits intégrés1980– : le VLSIOmniprésence des ordinateurs aujourd’hui

3 Conclusion

Laure Gonnord (L2/FST/Univ Lyon1) ArchiL2 (LIF6) Cours 1 : Introduction 2014 � 2 / 47 �

Organisation de l’ordinateur par niveaux


2 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur

3 Conclusion



Un ordinateur ?

Une machine conçue pour acquérir, stocker, traiter et restituerdes données : données numériques, textes, sons, images. . .I Comment lui “parler” ?

Un programme est une suite (séquence) d’instructions quidécrit la réalisation d’un certain traitement.I Oui, mais sous quelle forme ?



Languages

Notion d’instruction (en nombre fini restreint) :

additionner deux nombres,

tester l’égalité d’un nombre à zéro,

copier des données d’une zone mémoire à une autre, . . .

I Un ensemble d’instructions forme un langage



Oui, mais !

int main (){

printf("Hello!\n");

return 0;

}



Abstraction/Langage de programmationSolution : organisation par niveaux de l’ordinateurL’ordinateur est organisé par niveaux :

langage d’assemblage

systeme d’exploitation

niveau 1

niveau 2

niveau 0

primitives

assembleur

compilateur

langages de haut niveauniveau 5

niveau 4

niveau 3

architecture

micro−architecture

circuits logiques

I Chaque niveau a un niveau de détail différent.



Niveau 0 : circuits logiques

WarningEn dessous du circuit logique il y a encore un mondeélectronique et physique

Les traitement de données élémentaires sont effectuées pardes portes logiques.

Vcc

V1 V2

Vs

V1 V2 Vs

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

I Ces portes manipulent des données en binaire.



Niveau 1 : micro-architecture

Avec les portes logiques, on peut construire des briques debase plus évoluées :

Des briques pour calculer (ALU)

Des briques pour contrôler (ordre d’exécution,. . . ).

Des briques pour communiquer.

I Avec tout cela on obtient un processeur (ou unité centralede traitement).

I Le niveau micro-architecture comprend tout le matérielchargé de l’exécution effective des instructions du langagemachine.



Micro archi : exemple Intel 8080



Niveau 2 : architecture

Au niveau architecture, on peut commencer à programmer, ilnous faut donc :

Des informations sur la mémoire : organisation, taille,nombre de registres. . .

Des informations sur les données : codage, types. . .

Un langage de programmation : le langage machine

WarningLes instructions du langage machine sont (encore) enbinaire/hexadécimal.

On parle aussi d’ISA pour Instruction Set Architecture.



Exemple sur LC3

instruction action nzp codage en langage machineopcode arguments

F E D C B A 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0ADD DR,SR1,SR2 DR


Différence entre micro-architecture et architecture

C’est une question d’abstraction :

Le programmeur a besoin de l’ISA.

La micro-architecture a plus de détails.

ExempleArchitecture IA-32 = ISA commune aux PI, PII, PIII, PIV. parcontre la micro-architecture de ces processeurs a beaucoupévolué entre le PI et le PIV. I Un programme tournant sur PItournera sur PIV



Niveau 3 : système d’exploitation

Le système d’exploitation est un programme qui introduit unniveau d’abstraction entre le programmeur (ou plusgénéralement l’utilisateur d’une machine), et le matériel :

mécanisme de gestion mémoire

accès aux fichiers

Exemple : LinuxTourne sur IA-32 (x86, x86-32, i386), IA-32e (x86-64, EM64T,AMD64), IA-64 (Itanium), PowerPC, malgré des architecturesdifférentes.



Niveau 4 : langage d’assemblage

Langage intermédiaire :

Instructions lisibles (vs suites de bits).

Interaction avec le système d’exploitation.

I La traduction vers les niveaux 3 et 4 est faite par unprogramme appelé assembleur.



Exemple sur LC3 - le retour

instruction action nzp codage en langage machineopcode arguments

F E D C B A 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0ADD DR,SR1,SR2 DR


Niveau 5 : langage de programmation

Langages qui font (plus ou moins) abstraction desproblématiques système ou mémoire : par exemple C, C++,OCaml. . .

I Traduction vers 3 et 4 par des compilateurs (gcc, clang, . . . )I à ce stade on peut enfin écrire x=x+1;.



Exemple illustratifEn C :

#include

char car;

int main(void) {

printf("Hi!\n"); // appel à une primitive de l'OS

printf("Entrez un caractere...\n");

car = getchar(); // appel à une primitive de l'OS

printf("Vous avez entre : ");

putchar(car); // appel à une primitive de l'OS

putchar('\n');

printf("Bye!\n");

return(0);

}



Exemple illustratifAprès compilation (LC3 compiler)

LEA R0,msg0 ; charge l'adresse effective désignée par msg0 dans R0

TRAP x22 ; affiche la chaine pointée par R0

LEA R0,msg1 ;

TRAP x22 ; affiche la chaine à l'adresse msg1

TRAP x20 ; lit un caractère et le place dans R0

[...]

TRAP x22 ; affiche la chaine à l'adresse msg3

TRAP x25 ; termine le programme (rend la main à l'OS)

car: .BLKW #1 ; case mémoire pour stocker un caractère lu

msg0: .STRINGZ "Hi!\n"

msg1: .STRINGZ "Entrez un caractere...\n"

msg2: .STRINGZ "Vous avez entre : "

msg3: .STRINGZ "Bye!\n"

ret: .STRINGZ "\n"



Exemple illustratifAprès assemblage !

E00F F022 E012 F022 F020 3009 E026 F022 2006 ...

On a la correspondance suivante pour chaque instruction :

langage langage

machine d'assemblage

xE00F LEA R0,msg0

xF022 TRAP x22

xE012 LEA R0,msg1

xF022 TRAP x22

xF020 TRAP x20

x3009 ST R0,car

xE026 LEA R0,msg2

xF022 TRAP x22

x2006 LD R0,car

...



À retenir de cette partie

Les différents niveaux d’abstraction d’un ordinateur.

Le rapport entre niveau d’abstraction et langage.



Objectifs de LIF6

Dans ce cours :

Vue d’ensemble de l’ordinateur.

Construction d’un ordinateur” en partant des porteslogiques pour remonter jusqu’au langage d’assemblage.

(Bonus) Le lien avec la compilation.


Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur



3 Conclusion


Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur La préhistoire. . .



3 Conclusion



La préhistoire. . . 1/2

Premiers moyens de calcul purement manuels : systèmes denumération.

Moyen de calcul mécaniques :

La machine de Pascal (1623-1662) : additions etsoustractions en décimal.

La machine de Liebniz (1646-1716) : multiplications etdivisions en décimal.



La machine analytique deBabbage (1792-1871) : premièremachine capable de lire desinstructions sur des cartesperforées, et disposant d’unemémoire. Considérée comme lepremier ordinateur.

Le développement de calculateurs mécaniques se poursuivrajusqu’au XXe siècle.



Machines électromécaniques 1/2

Au début du XXe siècle, se développent des machinesélectromécaniques basées sur l’utilisation de relaisélectromécaniques.



Machines électromécaniques 1/2

Citons par exemple :

Les machines construites en Allemagne par Konrad Zuseentre 1930 et 1944 : apparition du calcul binaire.

Le Mark I, construit à Harvard (Cambridge, MA) en 1944sous l’impulsion d’Aiken. Le Mark I possédait 72 mots de23 chiffres décimaux, et le temps d’exécution d’uneinstruction était de 6 secondes.


Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur 1945-1955 : les tubes électroniques



3 Conclusion



1945-1955 : les tubes électroniques

Principe du tube triode : l’intensité du courant circulant entrel’anode et la cathode dépend de la tension de la grille.

gri

lle

ca

tho

de

−

an

od

e +

vide

lampe triode

e−



1945-1955 : les tubes électroniques (suite)

Citons les machines suivantes :

Le COLOSSUS, développé par les Britanniques, etopérationnel dès 1943.L’ENIAC, à Philadelphie, achevé en1946 :

utilisait 18000 tubes à vides, 1500relais,pesait 30 T, et consommait 140 kW,comportait 20 registres de 10 chiffresdécimaux.

L’ENIAC restait un gros calculateur électronique : le programmeétait entré manuellement en utilisant 6000 commutateursmultipositions. . .



Modèle de Von NeumannDans les années 1950, John von Neumann développe, toujoursen partant de la technologie des tubes électroniques, le premierordinateur au sens moderne du terme. Il décrit notamment lemodèle suivant, appelé modèle de Von Neumann :

Une mémoire centrale contient à la fois les données et lesprogrammes.

Une unité centrale de traitement (UCT), qui comportel’unité arithmétique et logique (UAL) qui effectue lesopérations en binaire.l’unité de contrôle (UC) qui interprète les instructions desprogrammes, et provoque leur exécution.

Les entrées/sorties (E/S) sont gérées par l’unité centralede traitement.



Modèle de Von Neumann A RETENIR

Unité de calculUnité de contrôle

Mémoire centrale

Unité centrale de traitement

Sorties

Entrées



Les travaux de von Neumann aboutissent à le construction del’IAS computer au Princeton Institute for Advanced Studies (NJ,USA), opérationnel en 1952.


Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur 1955-1965 : les transistors



3 Conclusion



1955-1965 : les transistorsLe transistor a été inventé en 1948 dans les laboratoires BellLabs (NJ) par Bardeen, Brattain et Shockley (prix Nobel en1956).

I Même role que le tube mais plus petit plus fiable pluséconome

Les transistors sont fabriqués à base de matériauxsemi-conducteurs, obtenus en modifiant les caractéristiquesd’un substrat, généralement le silicium.



Ordinateur IBM

IBM lança le 7094 en 1964 : il possédait 32536 mots de 36 bits,et exécutait ses instructions en 2 µs.

Programmation en FORTRAN ou COBOL.


Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur 1965-1980 : les circuits intégrés



3 Conclusion


Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur 1965-1980 : les circuits intégrés

1965-1980 : les circuits intégrésEn 1958, Jack Kilby propose un procédé per-mettant de graver de nombreux transistors surun même plaque de silicium, et crée le premiercircuit intégré (prix Nobel en 2000).

Cela va permettre d’intégrer de quelques dizaines à quelquesmilliers de transistors par puce, d’où des ordinateurs moinsencombrants et plus rapides.Citons les System/360 d’IBM :

Modèle 30 40 50 65Sortie 1970 1977 1977 1977

Temps de cycle 1000 ns 625 ns 500 ns 250 nsMémoire max. 65536 o 262144 o 262144 o 524288 o

En 1971, le 4004 d’Intel est le premier microprocesseurcommercialisé : processeur 4 bits, cycle de 10.6 µs, 2300transistors sur 10 mm2.


Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur 1980– : le VLSI



3 Conclusion



1980– : Very Large Scale Integration (VLSI)En 1965, Gordon Moore (l’un des fondateurs d’Intel) observaitque le nombre de transistors que l’on pouvait intégrer sur puceavec la technologie la plus économique doublait environ tousles 18 mois : loi de Moore.

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

103

10

10

10

10

10

10

10

10

4

5

6

7

8

9

10

11

nombre de transistors par puce

4004

8080

80286

80386

80486

Pentium

Pentium ProPentium 2

Pentium 3Pentium 4Itanium

Pentium 4 HT

Itanium 2

Itanium 2

x2 tous les 18 mois

progression effective



VLSI

A partir de 1980, la technologie dite CMOS (ComplementaryMetal Oxyde Semiconductor) se généralise : il devient possibled’intégrer des centaines de milliers de transistors par puce. Onparle de Very Large Scale Integration (VLSI).


Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui



3 Conclusion



Omniprésence des ordinateurs aujourd’hui

En 2003 : 1018 (soit +100millions/homme).type d’ordinateur prix =C exemple d’utilisation

« Super-ordinateurs » 150 M simulation physique de grande ampleurMainframes 5 M traitement des données dans les banquesGrappes de calcul 50-500 K simulation physiqueServeurs 5 K serveurs réseauMicro-ordinateurs 200-1000 ordinateur de bureau, portablesProcesseurs embarqués < 200 téléphones portables, smartphones. . .Microcontrôleurs 5 dans les appareils électroménagers !Puces « jetables » < 0.5 cartes banquaires, RFID



Un exemple de super-calculateur : Roadrunner (2008)

Roadrunner est le premier super-calculateur à avoir dépassé lapuissance de 1 PFlop/s. Le Flop/s est une unité mesurant lenombre d’opérations en arithmétique flottante effectuée parseconde. Roadrunner appartient au Département de l’énergieUS, à Los Alamos, NM.

Le Roadrunner a été construit par IBM :

budget final de 133 millions de dollars,

6 480 dual core Opteron d’AMD,

12 960 processeurs Cell d’IBM.



Roadrunner (2008) - 2/2

La performance maximale atteinte par le Roadrunner sur lesbenchmark LINPACK est de 1.042 PFlop/s 1. A titre decomparaison :

Pentium 4 (SSE3, 3.6 GHz) : 7.2 GFlops/s

Cell d’IBM (3.2 GHz) : 9.46 GFlops/s.1. TOP500 : http://www.top500.org


Conclusion


2 Historique rapide de l’avènement de l’ordinateur

3 Conclusion


Conclusion

Conclusion de cette partie - MotivationAprès 60 ans d’évolution, les ordinateurs permettent de couvrirun très large spectre d’applications, et certains offrent unepuissance de calcul considérable.

QuestionPourquoi donc étudier l’architecture des ordinateurs ?

Inutile : les langages de programmation nous offrent le bonniveau d’abstraction.

En fait, non : le programmeur doit être capable decomprendre et d’exploiter les (nouvelles) caractéristiquesde sa machine afin de concevoir des programmes plusperformants.


Conclusion

http://xkcd.com/676/


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