Professeur A. ABENAOU�Département de Génie Informatique�Année universitaire 2020-2021

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Architecture des ordinateurs

Université Ibn Zohr

École Nationales des Sciences Appliquées d’Agadir

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Définitions

• INFORmation autoMATIQUE
• Science du traitement automatique et rationnel de l’information
• Ensemble des applications de cette science, mettant en œuvre du matériel (ordinateurs) et des logiciels
• Système Informatique =

matériel (hardware) + logiciels (software)

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Définitions

• Information: ensemble de données, base de la connaissance

Différents types d'informations : textes, nombres, sons, images, instructions composant un programme,…

• Traitement :

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Définitions

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• Automatique
• Matériel qui exécute de lui même certaines opérations; l’ordinateur par exemple

• Ordinateur : (computer = calculateur) « machine à calculer » électronique dotée de mémoires, de moyens de traitement des informations, capable de résoudre des problèmes grâce à l’exploitation automatique de programmes enregistrés

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Définitions

Un ordinateur est capable :

• d’Acquérir de l'information,
• de la stocker,
• de la transformer en effectuant des traitements
• de la restituer sous une autre forme

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On désigne par matériel toute partie physique

de l’ordinateur

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Définitions

• Programme : ensemble séquentiel d’instructions rédigées pour que l’ordinateur puisse résoudre un problème donné

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• Logiciel : ensemble de programmes relatif à des traitements d'informations (ex. Windows, Ms Word...)

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Schéma simplifié du matériel Informatique

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�

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organisation matériel/logiciel d’un ordinateur

Lien matériel

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Lien logique

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L’ordinateur:�structure interne

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9

UAL – unité arithmétique

et logique

Processeur

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Le matériel

Unité centrale de traitement (UCT)

Horloge interne

Bus Système

Mémoire centrale et mémoire cache

Mémoires auxiliaires

Les périphériques

La carte mère

Le CPU : Central Processing Unit

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C'est le

PROCESSEUR

Pentium , Celleron , Centrinon . . .

C’est lui qui exécute les programmes utilisateurs comme les jeux, dessin, lecture de musique …Et les programme de gestion de la machine comme les systèmes d’exploitation : WINDOWS, LINUX …

Elle est également appelée CPU pour �“Central Processing Unit” ou processeur

• C’est l'élément de l'ordinateur qui interprète et exécute les instructions d'un programme et effectue toutes les opérations de calcul . C'est le cerveau de l'ordinateur.
• L’UCT est en charge de réaliser les traitements des données
• Actuellement un processeur est un circuit électronique qui peut compter quelques dizaines de millions de transistors gravés sur une puce en silicium appelée Wafers

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L’Unité Centrale de Traitement

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Microprocesseur: CPU

UC, ALU, Registre

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• L’Unité de Control cherche (une par une) les instructions dans la RAM, les analyse, place les opérandes dans les registres appropriés et donne l’ordre à l’ALU de réaliser l’opération
• L’UAL : Unité Arithmétique et Logique circuit électronique capable d’exécuter les opérations arithmétiques et logiques de base
• Un registre : mémoire élémentaire capable de stocker un opérande

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Les Registres

Ce sont des petites mémoires internes très rapides d’accès utilisées pour stocker temporairement une donnée, une instruction ou une adresse. Chaque registre stocke 8, 16 ou 32 bits.

• Les principaux registres
• Compteur ordinal: CO , pointe sur la prochaine instruction
• le registre d’instructions: RI , contient l'instruction à exécuter
• les registres arithmétiques: accumulateur ACC, …
• Registre d’état : contient des informations sur l'état du système

L’Horloge

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• L’horloge est un signal carré sur lequel on synchronise le séquencement des opérations
• Le processeur exécute chaque instruction en un nombre bien défini de périodes d’horloge T
• Avec une Horloge de fréquence f=3GHz = 3.10⁹ Hz, on a 3000 millions de périodes par seconde
• Si on considère une instruction qui prend 10 périodes d’horloge, elle peut être exécutée 300 millions de fois par seconde soit une puissance de calcul de 300 MIPS

T

Le BUS

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Le BUS est un ensemble de fils permettant au processeur de communiquer avec la mémoire et le reste des périphériques. Il est constitué de 3 sous ensembles :

• Un bus d’adresse, sur lequel le processeur envoie l’adresse de la localité à laquelle il veut accéder
• Un bus de donnée, sur lequel le processeur envoie/reçoit la donnée qu’il veut écrire/lire dans la localité adressée
• Un bus de control sur lequel le processeur échange les signaux de control avec les périphériques

La RAM

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La RAM ou Mémoire Centrale est la mémoire de travail du microprocesseur

• C’est un circuit constitué d’un nombre important de positions mémoire pouvant stocker chacune un octet et ayant chacune une adresse,
• La RAM est une mémoire volatile, son contenu s’efface quand on coupe l’alimentation électrique,
• C’est dans la RAM que se trouve le programme que le processeur est en train d’exécuter
• RAM signifie Random Access Memory qui signifie que l’on peut acceder à une position mémoire sans être obligé de passer par les positions précedentes

Exemple simplifié

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10011101

00011100

10101010

00110011

11000011

10011101

10011101

10011101

00000000

11111111

11100011

10011101

10011101

11100111

10011101

10011101

BUS d’adresse

BUS de données

BUS de control

PROCESSEUR

RE

WE

Soit une mémoire de 16 octets. Elle doit avoir un bus d’adresse de 4 bits (16=2⁴), et un bus de donnée de 8 bits. Pour le bus de control, 2 bits suffisent (pour le moment) : RE (Read Enable) et WE (Write Enable)

Pour écrire le nombre binaire 11100111 dans la position 13 (1101) :

• Le CPU place l’adresse 1101 sur le bus d’adresse
• Le CPU place la donnée 11100111 sur le bus de donnée
• Le CPU active le fil de control WE
• La mémoire copie la donnée à la position 13

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Mémoires

Types de mémoires:

Mémoires dans un PC

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Caractéristiques

Capacité

le nombre total de bits que contient la mémoire

Temps de cycle

c’est l'intervalle minimum qui doit

séparer deux demandes successives

de lecture ou d'écriture

Temps d’accès

c’est le temps qui s'écoule entre l'instant où a été lancée une opération de lecture/écriture en mémoire et l'instant où la première information est disponible sur le bus de données.

Débit

C’est le nombre maximum

d'informations lues ou écrites par seconde

Volatilité

elle caractérise la permanence des

informations dans la mémoire.

Mémoires dans un PC

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Ex: Pentium à 2 GHz = 0.5 ns entre deux opérations

Problème : temps d’accès de la RAM de l’ordre de 50 ns

Le CPU va trop vite pour la RAM

Connexion directe CPU/RAM impossible

Communications CPU/RAM

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Solution : utiliser de la mémoire très rapide en petite quantité pour stocker les cases de la RAM récemment accédées ou susceptibles de l’être bientôt

• Mémoire cache de niveau 1 (cache L1) sur le CPU
• Mémoire cache de niveau 2 (cache L2) entre le CPU et la RAM

Antémémoire ou mémoire cache

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• Caractéristiques de la mémoire cache
• Mémoire vive
• Plus rapide que la RAM
• Stocke les données intermédiaires ou fréquemment utilisées par le CPU.
• Accélère l’accès aux données et aux programmes

Antémémoire ou mémoire cache

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• Elle permet de conserver les informations qui y sont contenues même lorsque la mémoire n'est plus alimentée électriquement.
• En principe , ce type de mémoire ne pouvait être accédée qu'en lecture.
• Elle conserve les données nécessaires au démarrage de l'ordinateur qui ne peuvent pas être stockées sur le disque dur
• Elle est beaucoup plus lente qu’une mémoire de type RAM

(une ROM a un temps d'accès de l'ordre de 150 ns)

La mémoire Morte ROM

Ou Read Only Memory

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• le contenu y est « gravé » de façon permanente

​

Habituellement, on y trouve des programmes tels que:

• le BIOS (Basic Input Output System),
• le chargeur d'amorce,
• le Setup CMOS (écran disponible à l'allumage de l'ordinateur permettant de modifier les paramètres du système).
• le Power-On Self Test (POST) (programme exécuté automatiquement à l'amorçage du système permettant de faire un test du système )

Caractéristiques

La mémoire Morte ROM

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• BIOS : (Basic Input Output System) = un programme responsable de la gestion du matériel : clavier, écran, disques durs, liaisons séries et parallèles,etc...
• Il est sauvegardé dans une mémoire morte (ROM, EEPROM) et agit comme une interface entre le système d’exploitation et le matériel.

​

BIOS

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Les principales fonctions du BIOS:

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• Faire le test du CPU - POST (Power On Self Test)
• vérifier les mémoires (principale et cache)
• Inspecter les différents périphériques,
• Vérifier la configuration du « CMOS »,
• Initialiser le Timer (l'horloge interne)
• Vérifier toutes les configurations (clavier, CD, disque dur ...).
• Rechercher l’emplacement du système d’exploitation (Windows, Linux) et le lancer

BIOS

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Exemple de Menu SETUP

Bips sonores du BIOS AMI

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Bips sonores du BIOS AMI (suite)

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La pile et l'horloge temps réel

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Pour maintenir son contenu, la mémoire CMOS est alimentée en permanence par une pile longue durée (10 ans).

Cette pile alimente aussi le circuit horloge temps réel HTR (une montre tout simplement) qui génère l'heure et la date

On trouve dans le commerce des circuits HTR avec pile incorporée

Attention, ne pas confondre l'HTR et l'horloge système qui détermine la vitesse d'exécution des programmes

Chipset

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Pour réduire le nombre de composants sur la carte mère, tous les circuits (à part la ROM, la RAM et quelques circuits périphérique) on été intégré dans un ou deux composant appelé chipset (jeux de circuits).

Le rôle du chipset et de superviser l'échange de donnée entre le processeur et la RAM, la carte graphique et les autres éléments périphériques de l'ordinateur.

Le chipset est généralement composé de deux puces distinctes: Le PONT NORD (NorthBridge) et Le PONT SUD (SouthBridge) .

Pont nord – Pont sud

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Le Pond Nord est la partie la plus proche du processeur elle fonctionne à la fréquence la plus élevée, d'où un échauffement important ce qui nécessite l'utilisation d'un ventilateur de refroidissement. Il contrôle les éléments les plus rapides du PC c.à.d. la RAM et la carte graphique à travers le bus AGP ou PCI Express

Le pond Sud est relié au processeur par le pont nord. IL gère les entées/sorties moins rapides : Contrôleur IDE (DD et CD) , port USB, port Parallèle , port Série , port PS2, réseau, Bus PCI …

Chipset Intel i925

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Microprocesseur caché par le ventilateur

radiateur qui dissipe la chaleur du chipset (pont Nord)

carte graphique (sur un port AGP)

carte son (sur un port PCI)

carte réseau (sur un port PCI)

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emplacements vides pour d'autres cartes (ports PCI)

la mémoire vive (RAM) est cachée par la nappe