L’informatique - Architecture des ordinateurs...L’informatique - Architecture des ordinateurs L’informatique et l’architecture des ordinateurs page 10/21 4.2.2. Le microprocesseur

CPGE – PTSI Mr Pernot

L’informatique - Architecture des ordinateurs

L’informatique et l’architecture des ordinateurs page 1/21

1. L’informatique – rapide historique

La définition de l’informatique est :

• science du traitement automatique et rationnel de l’information considérée comme le support des connaissances et

des communications

• ensemble des applications de cette science, mettant en œuvre des matériels (ordinateurs ) et des logiciels

Les origines de l’informatique remonte à -500AC avec l’utilisation du « boulier » comme 1er calculateur.

Les facteurs qui ont fait évoluer l’informatique au cours de l’histoire sont nombreux, par exemple :

évolution parallèle de différents domaines

convergence fortuite des domaines

découvertes hasardeuses

innovations humaines, créativité

contexte historique

Les travaux sur les outils d’aide aux calculs ont vu naître successivement :

• 1632 : invention de la règle à calcul (anglais Oughtreed)

• 1642 : 1ère machine à calculer (+,-) de Pascal

• 1679 : découverte et mise au point d’une arithmétique binaire par Leibnitz

• 1833 : invention par l’anglais Babbage d’une machine à différence avec UC, mémoire, registres, entrées par

cartes perforées

• 1854 : Boole jette les bases de sa logique

• 1919 : invention du basculeur par Eccles et Jordan / bistable ou flip-flop : cellule mémoire !

• 1924 : création IBM

• 1935 : 1er calculateur à relais IBM601

• 1938 : Thèse de Shannon, premier parallèle entre circuits électriques et algèbre Booléenne. Il définit le chiffre

binaire : BIT, contraction de (BInary digiT)

• 1940 : l’algorithme nait, processus logique d’exécution d’un programme

Aujourd’hui sur les babyfoots ! Représentation du nombre 37925 !




• 1945 : création de l’ENIAC (Electronic Numerical Integrator Analyser and Computer ) notamment par

John VON NEUMANN. Il organise les composants matériels en 5 groupes principaux :

. Le processeur central (UAL)

. Les composants d’entrée

. Les composants de sortie

. La mémoire de travail

. La mémoire fixe

Un poids lourd : 30 tonnes, 140 m2 au sol, 170 468 tubes électroniques, 7000

résistances, 6000 commutateurs manuels et des centaines de câbles !!

• 1947 : invention du transistor

• 1958 : 1er circuit intégré

• 1971 : 1er microprocesseur INTEL (12 microcircuits 4 bits sur une même pièce,

cadencés à une fréquence de 108 KHz, composés de 2250 transistors)

• 1973 : 1er micro ordinateur • 1977 : début de la micro-informatique avec l’arrivée de 3 machines : APPLE 2 ( Apple ),

PET 2001 ( Commodore ), TRS80 ( Tandy )

• 1980 : 1er modem (300bps)

• 1982 : création du « PC » par IBM, Personal Computer (OS : MS-DOS / 16ko de RAM/1 lecteur de disquette

5 pouces1/4 )

• 1984 : création du CDROM par Philips, lancement du Macintosh par Apple

• 1985 : création de Windows et Excel

• 1989 : naissance de Word, MS, traitement de texte (100 millions d’ordinateurs vendu dans monde)

• 1990 : développement d’internet au CERN

• 1993 : le pentium, 5ème génération ( 32bits, 60MHz ) → le PC devient multimédia !

• 1996 : USB1, élaboration du standard

• 1996 : Windows 95 avec une nouvelle interface graphique

• 1998 : sortie de l’IMac d’Apple

• 1999 : Sortie de Linux 2.2 (1ère version utilisable )

• 2000 : Athlon 1GHz d’AMD

• 2001 : premier graveur de DVD Pioneer, USB2.0, sortie de Windows XP

• > 2006 : La gamme de processeurs Core, Nehalem puis Sandy Bridge 64bits d’INTEL, multicoeurs

(Dual Core, Quad Core, etc… ), architectures i5, i7 multiprocesseurs 4 à 6 cœurs, jusqu’à 3,6GHz

1er langage BASIC de Microsoft,

Paul Allen et Bill Gates




Et aujourd’hui, tablettes et Smartphones envahissent

notre société. L’ère du tactile et de la communication…

Et demain alors ???

2. Pourquoi faire de l’informatique en CPGE ?

L’informatique, omniprésente dans les différentes sphères de l’entreprise, de la recherche, des services, de la culture

et des loisirs, repose sur des mécanismes fondamentaux devant être maîtrisés par les futurs ingénieurs, enseignants

et chercheurs qui auront à s’en servir pour agir en connaissance de cause dans leur vie professionnelle.

La rapide évolution des outils informatiques et des sciences du numérique dans tous les secteurs de l’ingénierie

(industrielle, logicielle et des services) et de la recherche rend indispensable un enseignement de l’informatique

spécifiquement conçu pour vous : étudiants de CPGE scientifiques.

Vous devrez pouvoir dans votre vie professionnelle :

• communiquer avec les informaticiens de votre entreprise ou de votre laboratoire,

• participer aux prises de décision en matière de systèmes d’information,

• posséder des connaissances de base nécessaires à la compréhension des défaillances et des risques

informatiques, ainsi que des solutions permettant d’y remédier,

• exploiter à bon escient les résultats de calculs numériques.

Pour ce faire, vous devrez comprendre des concepts tels que :

• la précision numérique,

• la faisabilité,

• l’efficacité,

• la qualité,

• et les limites de solutions informatiques.

Ce qui requiert une certaine familiarité avec les architectures matérielles et logicielles, les systèmes d’exploitation, le

stockage des données et les réseaux. Cette diversité d’exigences impose une formation à la fois fondamentale et

appliquée.

Au niveau fondamental, on se fixe pour objectif la maîtrise d’un certain nombre de concepts de base, et avant tout, la

conception rigoureuse d’algorithmes et le choix de représentations appropriées des données.

Au niveau des applications, la rapidité d’évolution des technologies logicielles et matérielles renforce l’intérêt de

présenter des concepts fondamentaux pérennes sans s’attacher outre mesure à la description de technologies, protocoles




ou normes actuels. En revanche, la formation s’attachera à contextualiser le plus souvent possible les activités

pratiques en s’appuyant sur les autres disciplines scientifiques : chimie, physique, mathématiques, sciences

technologiques et de l’ingénieur.

Enfin, les compétences que vous allez acquérir en informatique ont vocation à participer pleinement à l’élaboration de

vos travaux d’initiative personnelle encadrée (T.I.P.E.) et à être réutilisées au sein des autres enseignements

scientifiques.

3. Architecture des ordinateurs - Introduction

Derrière le titre de ce cours se dissimule un « vaste programme »… Ce cours a pour objectif d’aborder la structure

interne des machines « grand public ».

Les progrès dans le domaine de la structure interne des machines et en particulier

des microprocesseurs est spectaculaire. Ce sont bien sûr les besoins spécifiques

dans tel ou tel domaine (jeux vidéo, traitement du signal, supercalculateurs,

processeurs pour serveurs…) qui orientent l’architecture.

Il est également à noter que l’architecture dédiée d’un microprocesseur dépend également étroitement des langages,

compilateurs et jeux d’instructions que l’on utilise. Ainsi, le hardware et le software sont considérés comme

indépendants.

Intéressons nous plus particulièrement aux machines que vous utiliserez le plus dans votre futur métier : l’ordinateur.

4. Inside … Structure interne d’un PC du laboratoire de SII

Les ordinateurs que nous utilisons tous sont constitués de plusieurs composants reliés par une connectique qui véhicule

les flux d’informations, l’énergie…

On retrouve classiquement : l’unité centrale (tour ou intégrée à l’écran), l’écran, le clavier et la souris.

Cet ordinateur est souvent relié à un réseau (internet, local…) et dialogue avec des périphériques externes (disque dur,

smartphones, appareil photo, imprimante…).




4.1. Les différents ports de communication externes

4.1.1. Port Série RS232

Connecteur de type D-SUB, ici DB9.

Historiquement, le port série est le premier port de communication utilisant une transmission série de

données (norme RS232). Son débit est au maxi de 19200bps (bits par seconde). C’est le protocole de

communication mis en œuvre pour un grand nombre de système du labo de SII : MAXPID, CORDEUSE…

A noter cependant que si certains PCs ont encore un port

COM1 RS232, la plupart utilise un adaptateur RS232-USB

pour communiquer (PC portable notamment).

4.1.2. Port Parallèle

Connecteur de type D-SUB, ici DB25.

Le port parallèle est un port reposant sur un protocole unidirectionnel de

communication parallèle de données. Il est en voie de disparition, comme le

port série. Il était « autrefois » le plus souvent utilisé pour la communication

PC-imprimante. Débit maxi est de 16Mbps.

Port parallèle

Ventilateur alim.

Lecteur graveur CD/DVD




4.1.3. Port USB

USB : Universal Serial bus.

Ce protocole de communication est apparu en 1996(USB 1.1). Il a révolutionné les connectiques PC-

périphériques en instaurant un environnement « tout USB », uniformisant les modes de communication avec

l’ordinateur. Ses concurrents sont les protocoles sans fil : Bluetooth et Wifi.

4.1.4. Port PS/2

PS/2: Personnal System/2, port mini-Din.

Port de communication de taille réduite permettant la connexion du clavier et de la

souris créé par IBM (1987) mais démocratisé en 1995 suite à son intégration sur les

cartes mères type ATX.

Il est également supplanté par le standard USB depuis quelques années mais aussi par

Bluetooth (clavier et souris sans fil).

4.1.5. Port VGA

VGA : Vidéo Graphics Array

Connecteur de type D-SUB, ici DE-15

Ce port est de type analogique et permet de brancher l’écran

4.1.6. Port DVI

DVI : Digital Visual Interface Ce port est de type numérique non HD. Il apporte une amélioration en terme de

réduction du bruit (parasites / image) par rapport au connecteur VGA.

4.1.7. Port HDMI

HDMI : High Definition Multimedia Interface

Ce port est de type numérique permettant la transmission de signaux au format

HD. Il existe différents niveaux de norme HDMI.

4.1.8. Port réseau RJ45

RJ45 : Registered Jack

Ce port permet la connexion filaire réseau Ethernet (LAN : Local Area Network) comme par exemple pour

l’accès internet. Différents protocoles existent spécifiant différents débits :




4.2. L’élément central du PC : la carte mère

Lorsque l’on ouvre la « tour » d’un PC, voilà ce que l’on découvre :

• des fils et connectiques diverses,

• le disque dur

• l’alimentation 230V

• des cartes (vidéo, graphique, réseau…)

• le lecteur DVD…etc…

et la CARTE MERE.

La carte mère (MB : mother Board) est l’élément central de l’architecture d’un PC. Elle accueille :

• le processeur

• la mémoire vive (RAM)

• l’horloge interne

• le BIOS

• la mémoire CMOS

• un chipset

• une carte graphique intégrée

• une carte son intégrée

• un ensemble de contrôleurs d’entrées/sorties aux rôles divers (communications avec le DD, ports d’E/S

type USB, RJ45…)

• des cartes d’extensions.

Au cœur du système PC, la carte mère doit assurer la communication entre les divers constituants de la

machine.

Alimentation PC




Voici les principaux composants d’une carte mère :




Voici l’architecture standard d’une carte mère :

4.2.1. Le chipset

Comme le présente le schéma ci-dessus, le centre névralgique de la carte mère est

constitué du chipset. Celui-ci est constitué de 2 entités : le Pont Nord et le Pont sud.

Leurs rôles respectifs sont résumés dans le tableau ci-dessous :

Les circuits Nord et Sud sont reliés entre eux par un bus très rapide (SATA pour DD, PCI pour les

extensions…). Ces 2 circuits peuvent être :

séparés dans 2 circuits différents

rassemblés dans une seule puce (c’est le cas pour les PCs du labo)

rassemblés dans une seule puce avec le processeur

le North peut également être dans la même puce que le processeur

Pont nord

Pont sud




4.2.2. Le microprocesseur

Le microprocesseur (CPU en anglais : Central Processing Unit) est monté sur son socket (réceptacle), lui-

même équipé d’un ventilateur pour assurer son refroidissement.

Vous verrez que sur certains PCs du labo, il peut ne pas y avoir de ventilateur dédié au CPU.

Fonctions sur CPU :

Le CPU assure la fonction d’unité de traitement. Il est le plus souvent intégré dans une seule puce. Il

exécute les programmes stockés en mémoire principale. Les programmes sont structurés en une séance

d’instructions.

Le CPU :

charge les instructions

décode les instructions

exécute séquentiellement les instructions

Architecture du CPU - structure élémentaire :

L’ordinateur est constitué :

d’une Unité Centrale (CPU)

d’une mémoire principale

d’un disque dur (unité d’E/S)

de bus de communication (données et d’adresses)

Registres




Le processeur (CPU) est constituée :

d’une unité de commande

d’une UAL

de registres

En pratique, l’unité de commande va chercher les instructions en mémoire principale, les charge et les

décode. L’UAL (Unité Arithmétique et Logique) exécute les opérations.

L’UC dispose de sa propre mémoire de travail. Cette mémoire a 2 fonctions :

stocker les résultats temporaires

stocker des informations de commande

L’intérêt de disposer d’une mémoire interne au microprocesseur est que, du fait de sa proximité et de son

intégration dans la même puce, les accès à cette mémoire sont extrêmement rapides. Elle participe donc à

l’amélioration des performances du CPU donc du système lui-même.

Cette mémoire de travail comprend des registres (mots mémoires binaires). Chaque registre a une fonction

propre. Les registres interviennent notamment dans le traitement des instructions et les accès à la mémoire de

programme.

Exemples :

L’UAL :

Le schéma ci contre représente le cycle du chemin des données

(data path cycle) pour une architecture de Von Neumann.

On décrit ici une opération réalisée sur 2 opérandes A et B pris

dans les registres du microprocesseur.

Il y a identification des registres contenant les opérandes, puis de

l’instruction à effectuer. Ces 2 opérandes sont stockés tour à tout

dans les registres d’entrée de l’UAL puis additionnés. Le résultat

est stocké dans le registre de sortie de l’UAL. Puis ce résultat est

stocké dans les registres, pour une utilisation ultérieure.

Ce cycle est constitutif de nombreuses machines. On le retrouvera

dans les algorithmes de programmation.

Le temps de cycle est défini pour chaque opération et l’addition de ces

temps défini la performance de la machine en terme de rapidité de

traitement.




Architecture classique MONO processeur :

Dans le schéma ci-dessous, les bus ne sont pas représentés afin d’éviter de surcharger la représentation.

Parmi les différents blocs, on peut noter une séparation des traitements des entiers et des flottants qui

bénéficient chacun d’une architecture dédiée.

Autre ajout par rapport à l’architecture minimale décrite précédemment, la mémoire Cache. Celle-ci se

décompose en :

• Cache Données (L1 : level 1 = intégré au cœur du CPU = Cache interne)

• Cache Instruction (L1)

La Cache (L2) est ici externe au CPU, c’est la Cache partagée sur les architectures multicoeurs.

Architecture actuelle MULTICOEURS :

Ci-dessous, un document Intel vulgarisant les évolutions processeurs.




Evolution majeure aujourd’hui, la puce supportant le processeur inclut

également le module Media Complex (un circuit graphique amélioré), le

contrôleur mémoire et le contrôleur PCI. Résultat, le North Bridge est intégré

dans cette puce, pour un gain de performances supplémentaire.

On peut également noter dans cette architecture multiprocesseurs la

présence d’un Cache partagé de niveau 3.

Classification des architectures :

Jusqu’à présent, nous avons essentiellement décrit l’architecture des microprocesseurs pour ordinateur PC, portables

ou non. Il existe une classification des architectures des CPU. On peut les rassembler dans ce tableau :

Quelques critères de développement sont à préciser qui rejoignent la classification des architectures ci-dessus :

système embarqué ou non (portables, tablettes, smartphones, baladeurs….)

système d’usage général ou dédié (acquisition et traitement de type API, traitement du signal (audio ou

vidéo), console de jeu…

Critères de performance :

Un CPU sera d’autant plus performant selon :

la fréquence de son horloge (les fameux GHz)…ex : Core i5 = 3.6 GHz

s’il est ou non multicoeurs

la taille de sa mémoire Cache … ex : PC Dell Inspiron 660P = 1 Go

s’il intègre ou non une partie (et laquelle ?) du chipset

s’il a une carte graphique dédiée ou non ….etc

Loi de Moore (évolution des puissances CPU)




4.3. Les mémoires vive et morte: RAM, ROM

La mémoire vive (RAM) de l’ordinateur se présente sous forme de barrettes. On nomme ce type de moire « vive »

en comparaison avec la mémoire dite « morte » (ROM). La barrette se fixe sur les SLOTS présents sur la carte

mère.

La mémoire ROM :




La mémoire RAM :

4.4. Le BIOS et le CMOS

Le BIOS :

BIOS = Basic Input/Output System

Le BIOS est un petit programme. Il est situé sur la carte mère de l'ordinateur dans une puce de type ROM. Le

BIOS est le premier programme chargé en mémoire dès que vous allumez votre ordinateur. Il assure plusieurs

fonctions:

le POST (Pre-Operating System Tests ou Power-On Self-Tests selon les écoles) : c'est l'ensemble des tests

qu'effectue le BIOS avant de démarrer le système d'exploitation: vérification RAM, contrôleurs de ports et

périphériques, paramétrage carte mère (à partir info stockées dans CMOS)

chercher un disque sur lequel il y a un système d'exploitation prêt à démarrer

Beaucoup de systèmes d'exploitation se passent des services du BIOS et s'adressent directement à certains

périphériques.

Le BIOS contient aussi généralement un

programme qui permet de modifier les

paramètres de la carte mère. Ce programme est

appelé setup. (C'est le programme auquel vous

pouvez accéder en pressant Echap, F2 au

démarrage de l'ordinateur.)




Le CMOS :

CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor

C'est un type de puce capable de stocker des informations et de les

conserver même quand l'ordinateur est éteint. Leur contenu est maintenu

par un faible courant électrique fourni par une pile. Ces mémoires

peuvent être modifiée souvent sans dommage.

Le BIOS vient lire des informations dans cette mémoire quand vous

allumez l'ordinateur. Il y stocke également la date et l'heure et vient

régulièrement les mettre à jour.

4.5. Le disque dur

Le disque dur (Hard Disk Drive) doit son nom à sa technologie à l’époque où existé encore les disques souples. C’est

une mémoire de masse où l’on peut stocker un nombre très important de données, programmes… Il peut être

partitionné en plusieurs disques (C/, D/, E/). Il est relié à la carte mère par un contrôleur de disque qui l’interface

avec le processeur (bus SATA).

En général, on installe :

le système d’exploitation (Windows, Linux, mac OS) sur le disque C

les programmes sur le disque D

les données sur le disque E

Le disque dur magnétique

Le disque dur est constitué de plusieurs plateaux superposés en céramique, verre ou métal. Ils sont entrainés en

rotation par un moteur synchrone. Leur vitesse est de plusieurs milliers de tour/s (7200 tr/s et > 15000). Le plateau

est recouvert (recto/verso) d’une fine couche (qq microns) recevant les informations binaires (0 ou 1). Des têtes de

lectures magnétiques permettent l’accès à ces informations.




Performances actuelles :

Débit : 60 Mo/s

Temps d’accès : qq ms

Les capacités actuelles des disques durs magnétiques sont de plusieurs Téraoctets




Le disque dur SSD

SSD : Solid State Drive

Basé sur la technologie des mémoires flash, le SSD est en voie de démocratisation et constitue à priori l’avenir du

disque dur et du stockage de masse.

Le tableau ci-dessous vous propose un comparatif sommaire :




Les chiffres sont donc sans appel !! Le SSD représente l’avenir. Deux critères penchent cependant en sa défaveur :

Son prix, 10x plus cher au Go

Certaines technologies SSD présentent une usure rapide, défaut majeur, leur technologie est limitée en nb

de cycles lecture / écriture.

Débits de l’ordre de 500Mo/s

Le disque dur hybride

Le disque dur hybride est l’exact compromis entre un magnétique et un

SSD. C’est un disque magnétique auquel on a adjoint un volume mémoire flash

conséquent (qq Go). L’intérêt : réduction très nette du prix pour des

performances accrues tout en limitant les risques de perte de données.

Actuellement, les 2 disques de grande capacité les plus répandus sont :

Seagate Momentus XT 7200 Hybrid SSD 750 Go SLC 8Go Nand flash

Western Digital WD Black SSD 1 To SLC 24Go NAND

Tableau comparatif des 3 technologies:

4.6. Les BUS




En informatique, le terme BUS désigne un ensemble de fils support de l’information et organe de communication

entre différents composants. Il existe 2 grands types de BUS :

Le bus série : plusieurs fils (données, horloge, masse), les données

sont transmises en série avec une nappe PCI en général.

Le bus parallèle (PATA) : plusieurs fils (masse, horloge, n fils de données), données transmises en

parallèle sur une nappe IDE en général.

Le bus carte mère : intégré sur la carte mère, on va retrouver différents bus parallèles. Ces bus permettent

de relier les différents composants entre eux pour qu’ils communiquent. On retrouve des bus d’adresses, de

données et de contrôle.




Le bus carte mère/périphériques (HDD, DVDROM…) : en raison de problèmes de diaphonie rencontrés

dans les bus parallèles (à hautes fréquences), la tendance actuelle est la sérialisation des données. Ainsi,

après le tout IDE (bus et nappe) , nous sommes passés au bus SATA ou S-ATA (Serial ATA)

Plusieurs normes SATA ont été développées :

Cette technologie présente des débits démesurés pour des disques durs magnétiques (60 Mo/s) mais va

revanche bien s’adapter aux débits des SDD qui avoisinent les 500Mo/s.

Documents

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