Les composants de l’ordinateur

M. DIENG Abdoulaye

Objectif général

Connaître les bases du fonctionnement interne d’un ordinateur.

Objectifs opérationnels

• Connaître les composants qui stockent les informations

• Connaître les composants qui facilitent la circulation des informations

• Connaître le composant qui traite les informations

• Connaître le composant qui permet l’exploitation des ressources

Sommaire

1. Introduction2. La carte mère3. La mémoire centrale4. Les bus5. Les chipsets6. Le microprocesseur7. Le système d’exploitation

Introduction • L'informatique (information automatique) est une

science qui regroupe l’ensemble des théories et des techniques permettant de traiter de l’information à l’aide d’un ordinateur.

• L’ordinateur est un appareil électronique capable, en appliquant des instructions prédéfinies, d’effectuer des traitements automatisés de données et d’interagir avec l’environnement grâce à des périphériques.

• Les données peuvent être du texte, des images, des vidéos, de la musique, des plans d'architecte, des compositions moléculaires, des relevés météorologiques, etc. Bref, tout ce qui peut être numérisé.

• On parle de « hardware » pour désigner l'ensemble des éléments matériels de l'ordinateur et de « software » pour désigner la partie logicielle (systèmes d’exploitation, applications).

La carte mèreprésentation

• La carte mère est le composant de l'ordinateur qui dirige et organise le fonctionnement de tous les autres composants.

• Elle réunit tous les composants matériels de l’ordinateur :– directement : microprocesseur, mémoire, cartes

d’extension, etc…)– par branchement d’une nappe : disque dur,

lecteur de disquette, lecteur de cd-rom, etc…)• Elle est aussi munie de connecteurs d’entrée et

sortie pour le branchement des périphériques.

La carte mèrecomposants

• Connecteurs E/S pour le branchement des périphériques classiques.• Connecteurs PCI (Peripheral Component Interconnect) pour brancher

des cartes d'extension; voués à disparaître au profit d’une version plus rapide : PCI Express

• Deux chipsets Nord et Sud pour interconnecter les composants• Le socket ou emplacement du micro processeur• Connecteurs de mémoire vive • Connecteurs SATA (Serial Advanced Technology Attachment) et IDE

(Integrated Drive Electronics) pour les DD et lecteurs de disque• Le BIOS (Basic Input Output System) pour le démarrage de l’ordinateur• La pile du CMOS pour conserver certaines informations importantes

même lorsque l’ordinateur n’est pas alimenté en électricité• etc.

La carte mèreschéma annoté

La mémoire centraleprésentation

• Une mémoire est un dispositif capable d'enregistrer une information.

• Deux grandes catégories : – la mémoire centrale permettant de mémoriser temporairement les

données lors de l'exécution des programmes.Exemples : mémoire vive et mémoire cache

– la mémoire de masse permettant de stocker des informations à long terme, y compris lors de l'arrêt de l'ordinateur.Exemples : disque dur, CD-ROM, mémoire morte, mémoire flash

La mémoire centralela mémoire vive

• La mémoire vive sert à stocker les données en cours de traitement uniquement.

• La mémoire vive a un temps d'accès dix mille à cent mille fois plus petit que celui d’un disque dur.

• La mémoire vive est de type DRAM (Dynamic Random Access Memory)– 1 bit = 1 transistor + 1 condensateur (=> compacité)– le condensateur stocke l’information et doit être régulièrement

rafraichi => ralentissement de la vitesse d’accès à la mémoire.

La mémoire centralela mémoire cache

• La mémoire cache est utilisée pour faire office de tampons entre le processeur et la mémoire vive

• La mémoire cache est de type SRAM (Static Random Access Memory)– 1 bit = 4 transistors donc moins compacte et plus chère que la

mémoire vive.– l’information n’a pas besoin d’être rafraîchie, d’où beaucoup plus

rapide que la mémoire vive • Il y a généralement deux niveaux (level) de mémoire cache :

– L1: interne au µP(processeur), fonctionne à la même cadence que le processeur, mais limitée en capacité (quelques dizaines de ko)

– L2 : externe au µP, ne fonctionne pas à la cadence du µP, mais capacité relativement grande (+sieurs centaines de ko)

Les busprésentation

Les informations échangées entre les composants (mémoire, µP, etc.) circulent sous forme de signaux électriques à travers un système de câblage appelé bus.

Les bus ont pour but de réduire le nombre de « voies » nécessaires à la communication des différents composants, en mutualisant les communications sur une seule voie de données.

bus

Les buscomposition

• Lignes de données : – transfert de données entre les éléments

• Lignes d’adresse : – désigne la source ou la destination des données– exemples :

• adresse d’une donnée en mémoire• adresse associée à un périphérique

• Lignes de contrôle :– contrôle le fonctionnement du bus (partagé par plusieurs

éléments) selon le protocole– exemples : lecture, écriture, requête bus, accord bus, …

Les busexemple de fonctionnement

envoi de données à un autre élément• obtenir le droit d’utiliser le bus• envoyer les données :

lignes de contrôle commande d’écriturelignes d’adresse destinationlignes de données données à envoyer

demande de données à un autre élément• obtenir le droit d’utiliser le bus• envoyer la demande :

lignes de contrôle commande de lecturelignes d’adresse localisation des données

• attendre les données :données reçues lignes de données

Les buscaractéristiques

• Largeur : nombre de bits traités en même temps.• Fréquence : exprimée en Hertz (Hz), correspond au nombre de

transmissions d'informations qui ont lieu par seconde sur le bus. • Bande passante ou débit = largeur x fréquence• Exemple : Un bus d'une largeur de 16 bits, cadencé à une fréquence

de 133 Mhz possède donc une bande passante égale à : 16 * 133.106 = 2128*106 bit/s, soit (2128*106)/(8 *10242)= 253.7 Mo/s• Afin d'augmenter le débit des bus, il existe :

– le DDR (Double Data rate) permet d'envoyer deux fois plus d'informations par cycle

– le QDR (Quadruple Data rate) permet d'envoyer quatre fois plus d'informations par cycle

Les bushiérarchie

L2Back side bus(64/256 bits)

chipset Nord

Bus DMI (2Go/s)Direct Media Interface

µPL1

Mémoire vive

Bus mémoire

carte graphique

Bus AGP ou PCI Ex16 (32bits,66Mhz ou 4Go/s)

Chipset Sud

DD/CD/DVD Bus SATA(150Mo/s)

Ports USB Bus USB(60Mo/s)

Front side bus

cartes PCI expressBus PCI Express

(250Mo/s à 2Go/s)Carte réseau

cartes PCIPS2/série/parallèle

Bus PCI (32/64bits 66/133Mhz)

(64bits,66/133/200Mhz

DDR/QDR)

(64bits,66/133/200Mhz)

Les busanciens bus d’extension

Bus ISA MCA EISA VLB

Constructeur IBM IBM Compaq, NEC,Epson, HP, …

VESA, NEC

Date de MenS 1984 1987 1988 1992

Fréquence (Mhz)

8,33 10 8,33 25/33

Largeur (bits) 8/16 32 32 32

Débit (Mo/s) 16 40 33 132

Le chipset • Le chipset est un ensemble (set) de puces (chip) électroniques soudé

à la carte mère.• Le chipset est chargé d'aiguiller les informations entre les différents

bus afin de permettre à tous les composants de l'ordinateur de communiquer entre eux.

• Le chipset détermine notamment les types de processeur et de mémoire vive reconnus par la carte mère.

• Le rôle du chipset se divise en deux parties:– Le NorthBridge (Pont Nord, appelé également contrôleur

mémoire) chargé de contrôler les échanges entre le processeur , la mémoire vive, les périphériques qui demandent le plus de bandes passantes (AGP et PCI-express ) et le southBridge.

– Le SouthBridge (Pont Sud, appelé également contrôleur d'entrée-sortie ou contrôleur d'extension) qui gère les communications avec les périphériques d'entrée-sortie ou périphériques lents.

Le microprocesseurprésentation

• Le processeur est le composant qui calcule, transforme et interprète les informations que lui envoie la carte mère (après des ordres de l'utilisateur).

• Il est cadencé au rythme d’une horloge interne (cristal au quartz soumis à un courant électrique) qui envoie des impulsions que l’on appelle "tops".

• Ainsi la fréquence ou nombre de tops par seconde est exprimé en Hertz et de nos jours en GigaHertz. Pour exemple un processeur cadencé à 1Ghz effectue 1 milliard d’opérations à la seconde.

• Il existe principalement deux marques de processeurs : Intel (Pentium et Celeron ) et AMD (Athlon et Duron ).

Le microprocesseurcomposants

Les principaux éléments d'un microprocesseur sont les suivants :• Une unité de commande (ou unité d’instruction) qui lit les données

arrivant, les décode puis les envoie à l'unité d'exécution ;• Une unité d'exécution (ou unité de traitement), qui accomplit les

tâches que lui a données l'unité d'instruction.• Une unité de gestion des bus (ou unité d'entrées-sorties), qui gère

les flux d'informations entrant et sortant, en interface avec la mémoire centrale du système ;

Le microprocesseurl’unité de commande

L'unité de commande (UC) est constituée des éléments suivants : • séquenceur (ou bloc logique de commande) chargé de synchroniser

l'exécution des instructions au rythme de l’horloge. Il est ainsi chargé de l'envoi des signaux de commande ;

• registre d'instruction (ou RI) contenant l'instruction en cours de traitement;

• compteur ordinal (PC pour Program Counter) contenant l’adresse mémoire de la prochaine instruction à exécuter.

Le microprocesseurl’unité d’exécution

L'unité d'exécution est composée des éléments suivants :• L'unité arithmétique et logique (notée ALU ou pour Arithmetical and

Logical Unit) qui assure les fonctions basiques de calcul arithmétique et les opérations logiques (ET, OU, Ou exclusif, etc.) ;

• L'unité de virgule flottante (notée FPU, pour Floating Point Unit), qui accomplit les calculs complexes non entiers que ne peut réaliser l'unité arithmétique et logique;

• le registre accumulateur (ACC), stockant les résultats des opérations arithmétiques et logiques ;

• le registre d'état (PSW, Processor Status Word), permettant de stocker des indicateurs sur l'état du système (retenue, dépassement, etc.).

Le microprocesseurschéma UAL+UC+mémoire cache

Le microprocesseurcycle d’exécution d’une instruction

• Le traitement d’une instruction est décomposé en trois phases :– Phase 1 : recherche de l’instruction à traiter et décodage– Phase 2 : recherche de l’opérande et exécution de l’instruction– Phase 3 : passage à l’instruction suivante

• Chaque phase comporte un certain nombre d’opérations élémentaires exécutées dans un ordre bien précis

• Ces opérations sont générées par le séquenceur

Le microprocesseurcycle d’exécution d’une instruction(exemple

1)Déroulement de l’instruction d’addition en mode immédiat : ACC(ACC)+Val• Phase 1 : (recherche de l’instruction à traiter)

– Chargement du contenu du CO dans la mémoire cache– Commande de lecture à partir de la mémoire cache– Transfert de la donnée lue dans le RI– Analyse et décodage

• Phase 2 : (traitement de l’instruction)– Transfert de l’opérande (Val) dans l’UAL– Commande de l’exécution de l’opération (addition)

• Phase 3 : ( passage à l’instruction suivante )– incrémenter le CO d’une unité

Le microprocesseurcycle d’exécution d’une instruction(exemple

2)Déroulement de l’instruction d’addition en mode direct : ACC(ACC)+(ADR)• Phase 1 : (recherche de l’instruction à traiter)

– Idem que l’exemple 1• Phase 2 : (traitement de l’instruction)

– Chargement de l’adresse (ADR) de l’opérande dans la mémoire– Commande de lecture à partir de la mémoire – Transfert de la valeur lue dans l’UAL– Commande de l’exécution de l’opération (addition)

• Phase 3 : ( passage à l’instruction suivante )– incrémenter le CO d’une unité

Le microprocesseurprincipales caractéristiques

• La fréquence de l’horloge• Fréquence du FSB ou bus frontal• La quantité de mémoire cache (répartie sur 1, 2 voire 3 niveaux). • La largeur de ses registres internes de manipulation de données (8,

16, 32, 64, 128) bits. • Finesse de gravure (en nanomètre) : permet d'augmenter le nombre

de transistors, et donc la performance• Nombre de cœur(s) : bi-cœur, quadri ou plus (dual, quad ou multicore)

Le système d’exploitationprésentation

• Un système d’exploitation est un ensemble de programmes chargés de toutes les fonctions relatives à l’exploitation des composants (hardware et software) de l’ordinateur.

• Les objectifs du SE sont :– attribuer de la mémoire aux programmes et contrôler leur

exécution;– assurer une exploitation efficace et économique des ressources

critiques (µP et mémoire) de l’ordinateur;– faciliter la tâche de l’utilisateur en lui présentant une machine plus

simple.

Le système d’exploitationcomposants

• le noyau (kernel) : il comporte les principales fonctions du système et se charge en mémoire lors du démarrage;

• les utilitaires : ce sont des programmes nécessaire à l’exploitation du PC comme un éditeur de texte, une calculatrice;

• le système de fichier : il permet de classer des informations de manière permanente dans des fichiers et de les organiser dans des répertoires;

• l’interpréteur de commande (shell) : il exécute les commandes données par l’utilisateur. Ces commandes peuvent être textuelle ou sous forme d’action comme le clic (interface graphique).

Le système d’exploitationcaractéristiques

• Mono ou multi tâches : nbr de programmes en exécution simultanée. La plupart des systèmes d'exploitation multi-tâches sont implémentés sur un ordinateur ayant un seul micro-processeur. Celui-ci, à un instant donné, n'exécute réellement qu'un seul programme, mais le système peut le faire passer d'un programme à un autre en exécutant chaque programme pendant quelques dizaines de millisecondes. On parle alors de système à temps partagé.

• Mono utilisateur ou multi utilisateurs : nombre d'utilisateurs simultanés.Pour la sécurité, se loguer en administrateur uniquement pour faire destâches d'administration, à savoir installer un logiciel, modifiercertains réglages, etc.Pour tout le reste, on a simplement besoin d'être un simple utilisateur, cequi par exemple évite à certain logiciel de s'installer.

Le système d’exploitationtypes

• Windows de Microsoft : DOS (1981), 95, 98, 2000, XP (2002), Windows Server 2003, Vista (2006), Windows Server 2008, 7 (2009)

• UNIX/LINUX : propriétaires : SunOS/Solaris (Sun), AIX (IBM), HP-UX (HP)version libres : Linux, FreeBSD

• MAC OS d’Apple (1er système gd public ayant une interface graphique) de 1984 à 1988 : Système 0.0 à Système 6.0 de 1991 à 1999 : Système 7 à Mac OS 9

en mars 2001 : Mac OS X 10.0 dite « Cheetah » ou Guepard en août 2009 : Mac OS X 10.6 dite « Snow Leopard » ou Léopard des neiges