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2022-2023 Architecture des Ordinateurs Cours destiné aux étudiants en Licence 1 SRIT M. KOUADJO ANO Enseignant – Chercheur à l’ESATIC / Responsable UP physique Email: [email protected] / Cel: +225 07 57 14 00 02 Direction d...

2022-2023 Architecture des Ordinateurs Cours destiné aux étudiants en Licence 1 SRIT M. KOUADJO ANO Enseignant – Chercheur à l’ESATIC / Responsable UP physique Email: [email protected] / Cel: +225 07 57 14 00 02 Direction de la pédagogie - Bureau n°8 1  Architecture des ordinateurs Objectif du cours 1. Maitriser le fonctionnement interne des ordinateurs Comprendre l’architecture logique Comprendre l’architecture physique 2. Connaitre les composants d’un ordinateur (TP) Savoir démonter un PC 2 Identifier les composants  Architecture des ordinateurs Prérequis & Reférences Prérequis Logique combinatoire Logique séquentielle Références http://www.scedu.umontreal.ca/histoiredestec/histoire/tdmh iste.htm http://histoire.info.online.fr http://dept-info.labri.fr/ENSEIGNEMENT/archi/ 3  Architecture des ordinateurs GENERALITES 4  Architecture des ordinateurs I- Histoire des 1. Du manuel à la mécanique ordinateurs L’homme a toujours cherché à s’aider pour le calcul : -500 : premiers outils de calcul, l ’abaque et le boulier 5  Architecture des ordinateurs -300 : Aristote définit la logique 1580-1617 : J. Napier invente les logarithmes + nombres décimaux + techniques de multiplication et division (bâtons de Napier) 1623 : Cylindres de Schickard ( + idée d ’utiliser des roues dentelées) 1673 : Disques de Morland 6  Architecture des ordinateurs 1642 : Blaise Pascal invente la pascaline 7 Architecture des ordinateurs 8  Architecture des ordinateurs 1694 : machine de Leibniz (multiplication et division) 9  Architecture des ordinateurs 1820 : C.X. Thomas invente l’arithmomètre (6 à 20 chiffres) 1 500 exemplaires vendus de 1823 à 1878 10  Architecture des ordinateurs 1937 : C. Herzstark invente la Curta Curta I : 80 000 exemplaires vendus de 1947 à 1970 Curta II : 60 000 exemplaires vendus de 1954 à 1970 11  Architecture des ordinateurs 2. De la mécanique à l’électromécanique 1833 : Babbage imagine une machine analytique contenant les concepts d’unité de calcul, mémoire, registre et entrée des données par carte perforée 1840 : Ada Lovelace, collaboratrice de Babbage définit le principe d’itérations successive dans l’exécution d’une opération et nomme ce processus algorithme en l’honneur du mathématicien arabe Al Khowarizmi 12  Architecture des ordinateurs 1854 : Boole démontre que tout processus logique est décomposable en une suite d’opérations logiques (ET, OU, NON) appliquées sur 2 états (0-1, V-F,...) 1884 : H. Hollerith crée une tabulatrice à cartes perforées pour faire traiter le recensement américain de 1890, c’est la 1ière machine à traiter l’information 13  Architecture des ordinateurs 1896 : H. Hollerith crée la firme Tabulating Machine Corporation 1904 : J. Fleming invente le premier tube à vide (la diode) 1907 : L.D. Forest invente la triode 1919 : Eccles et Jordan inventent le basculeur (flip-flop ou circuit bi-stable) 1924 : Tabulating Machine Corporation est renommée International Business Machine (IBM) 14  Architecture des ordinateurs 1937 : A.M. Turing résout des problèmes mathématiques à l’aide d ’une bande de papier, de pions et d ’un trombone ! C’est la machine de Turing 1938 : Shannon dans sa thèse fait le parallèle entre circuit électrique et algèbre booléenne. Il définit le chiffre binaire : bit (BInary digiT) 1938 : K. Zuse crée le Z1, ordinateur binaire programmable mécanique ! 1939 : Z2, une partie de la mécanique est remplacée par des relais téléphoniques 15  Architecture des ordinateurs 1941 : J. Atanasoff et C. Berry créent le 1er calculateur binaire basé sur l’algèbre de Boole. L’ABC est considéré comme le premier ordinateur mais son programme n’est pas stocké en mémoire 1941 : Z3, premier calculateur avec programme enregistré. Mémoire : 64 nombres de 22 bits, puissance : 4 +/s ou 1 x en 4s 16  Architecture des ordinateurs 1943 : H. Aiken crée le Mark I calculateur électromécanique (3000 relais, 800km de câbles) dont le fonctionnement est proche de la machine imaginée par Babbage 1943 : Thomas Watson, IBM : « Je pense qu’il y a un marché mondial pour au moins 5 ordinateurs. » 1945 : un insecte coincé dans la Mark I bloque son fonctionnement. La mathématicienne G.M. Hopper décide que tout ce qui arrêtera le bon fonctionnement d’un programme s’appellera BUG. 1945 : J. Von Neumann travaillant sur le projet ENIAC définit ce que devrait être un ordinateur à programme enregistré : Architecture de Von Neumann 17  Architecture des ordinateurs 3. L’électronique 1946 : P. Eckert et J. Mauchly créent l’ENIAC. Particularités : 18 000 tubes, 30 tonnes, 72 m2, 140 KW, 100 kHz, 330 x/s 18  Architecture des ordinateurs 1947 : invention du transistor dans les laboratoires de Bell Telephone 1948 : Newman et Williams créent le Manchester Mark I. Particularité : mémoire à tubes cathodiques 1949 : revue Popular Mechanics : « Alors que le calculateur ENIAC est équipé de 18000 tubes à vide et pèse 30 tonnes, les futurs ordinateurs de l’an 2000 ne devraient avoir que 1000 tubes à vide et ne peser que 1,5 tonnes. » 1950 : M.V. Wilkes invente l’assembleur (avant on programmait en binaire) 1951 : G.M. Hopper invente le premier compilateur A0 générant un programme binaire à partir d’un code source 1953 : invention de la mémoire à tores de ferrite 19  Architecture des ordinateurs 1956 : TRADIC le premier ordinateur à transistors par Bell amorce la seconde génération d ’ordinateurs 1956 : 1er disque dur, le RAMAC 305 par IBM (50 disques de 61 cm - 5 Mo) 1957 : J. Backus d’IBM crée le langage FORTRAN 20  Architecture des ordinateurs 1958 : 1er ordinateur commercial entièrement transistorisé par S. Cray 21  Architecture des ordinateurs 1958 : 1er circuit intégré par Texas Instruments 1958 : 1er modem par Bell 1958 : 1er jeu vidéo (très similaire au jeu pong par Atari en 1972) 1960 : langage Cobol 1962 : P. Dreyfus invente le mot INFORMATIQUE 1964 : langage Basic 22  Architecture des ordinateurs 1965 : G. Moore écrit que la densité des circuits intégrés doublera tous les 18 mois (loi de Moore) 1966 : première console de jeux vidéo, la Magnavox Odyssey I 1967 : plans de l’ARPANET (ancêtre de l ’internet) 1967 : premier lecteur de disquettes par IBM 23  Architecture des ordinateurs 1968 : D.C. Engelbart fait la démonstration d’un environnement graphique avec fenêtres utilisant une souris. 1968 : HP présente sa première calculatrice de bureau programmable, la HP 9100 (20 kg, 5000 $) 1968 : langage Pascal 1969 : naissance d ’Unix grâce à K. Thompson et B. Kernighan 1970 : K. Thompson crée le langage B pour Unix 24  Architecture des ordinateurs 1971 : Intel vend le premier microprocesseur : Intel 4004 (4 bits, 108 kHz, 200$) 1971 : Apparition de l’ordinateur Kenback-1 pour 750$ en kit ! 1971-1973 : transformation du langage B (interprété) en langage C (compilé) 25  Architecture des ordinateurs 1972 : R. Tomlinson crée un logiciel de courrier électronique pour ARPANET 1972 : premier langage orienté objet, SmallTalk 1972 : B. Gates et P. Allen fondent la compagnie Traf-O-Data 1973 : apparition du mot microcomputer (micro-ordinateur) 1975 : Traf-O-Data devient Micro-Soft 1976 : S. Jobs et S. Wozniak créent l’Apple Computer et fondent Apple 1977 : Ken Olson, DEC : « Il n’y a aucune raison pour que tout le monde veuille un ordinateur à la maison » 26  Architecture des ordinateurs Avril 1981 : Xerox vend le Star 8010. Caractéristiques : Ram 1 Mo, DD 8 Mo, interface Ethernet, interface graphique, souris 2 boutons, Drag&Drop, copier-coller, menus contextuels, tableur, traitement de texte WYSIWYG, et messagerie électronique. Problème : 17 000 $ Il faudra 10 ans à Apple et 15 ans à Microsoft pour faire aussi bien ! 27  Architecture des ordinateurs Août 1981 : IBM lance le 5150 Personal Computer. Caractéristiques : RAM 640Ko, lecteur de disquettes 5’’25, système PC-DOS 1.0 pour 3 000 $ (version CGA 16 couleurs pour 6000 $). Windows 1.0 sortira en novembre 1985. Il n’apporte rien de nouveau et pourtant... 1981 : Bill Gates, Microsoft : « 640Ko devrait être suffisant pour tout le monde. » 28  Architecture des ordinateurs Janvier 1983 : Apple lance le Lisa. Caractéristiques : µP 68000 à 5Mhz, 1 Mo RAM, 2 Mo ROM, écran graphique 12’’ 720x364, 2 x 5’’25, DD 5 Mo avec interface graphique et souris. 10 000 $ Janvier 1984 : Apple lance le Macintosh. Caractéristiques : µP 68000 à 8Mhz, 128Ko RAM, 64 Ko ROM, 3’’50, écran N&B 9’’ 512x384 avec interface graphique et souris. 2 500 $ Loi de Wirth : « Les logiciels deviennent plus lents de manière plus rapide que le matériel ne devient plus rapide. » 29  Architecture des ordinateurs II. Généralités 2.1 Introduction Informatique : information et automatique = science du traitement automatique de l'information. Apparue au milieu du 20ème siècle, elle a connu une évolution extrêmement rapide. motivation initiale : faciliter et accélérer le calcul Au fil du temps: se sont ajoutées de nombreuses fonctionnalités: automatisation contrôle et commande de processus; communication; partage de l'information. 30  Architecture des ordinateurs La mise en œuvre de ces systèmes informatique s’appuie sur deux modes de réalisation distincts: le matériel et le logiciel. Le matériel (hardware) correspond à l’aspect concret du système : unité centrale, mémoire, organes d’entrées- sorties, etc… Chaque composant possède une fonction particulière calcul stockage des données affichage vidéo 31  Architecture des ordinateurs Le logiciel (software) correspond à un ensemble d’instructions appelé programme, qui sont contenues dans les différentes mémoires du système et qui définissent les actions effectuées par le matériel. Différents types de logiciels système d’exploitation (MS-DOS, Windows, Unix) logiciels standards comme Word, Excel... progiciels : logiciels spécifiques (paye, comptabilité,...) Le logiciel pilote le matériel 32  Architecture des ordinateurs Schéma fonctionnel d’un système informatique - Machine qui saisit (périphériques d’entrée), stock (mémoire), traite (programmes) et restitue (périphériques 33 de sortie) des informations  Architecture des ordinateurs 2 Qu’entend-t-on par architecture ? L'architecture d'un système à microprocesseur représente l’organisation de ses différentes unités et de leurs interconnexions. Le choix d'une architecture est toujours le résultat d'un compromis : entre performances et coûts entre efficacité et facilité de construction entre performances d'ensemble et facilité de programmation etc … 34  Architecture des ordinateurs 2. 3 Qu’est ce qu’un microprocesseur ? C’est un circuit intégré complexe. Il résulte de l’intégration sur une puce de fonctions logiques combinatoires (logiques et/ou arithmétique) et séquentielles (registres, compteur, etc…). Il est capable d'interpréter et d'exécuter les instructions d'un programme. domaine d’utilisation: presque illimité. 35  Architecture des ordinateurs Premier microprocesseur créé en 1971, par la société Intel: le 4004: Unité de calcul 4 bits fonctionnant à 108 kHz. Résultat de l’intégration d’environ 2300 transistors. 36  Architecture des ordinateurs 2.4. Rappel Différents types d’informations sont traitées par le microprocesseur (nombres, instructions, images, vidéo, etc…): Mais elles sont toujours représentées sous un format binaire. Seul le codage changera suivant les différents types de données à traiter. Elles sont représentées physiquement par 2 niveaux de tensions différents. En binaire, une information élémentaire est appelé bit et ne peut prendre que deux valeurs différentes : 0 ou 1. Une information plus complexe sera codée sur plusieurs bit. On appelle cet ensemble un mot. Un mot de 8 bits est appelé un octet. 37  Architecture des ordinateurs Attention 1 kilobit 210 bits 1024 bits 1 mégabit 210 kbit 1024 kbit 1 gigabit 210 Mbit 1024 Mbit 38  Architecture des ordinateurs Où trouve-t-on des systèmes à microprocesseur ? Les applications des systèmes à microprocesseurs sont multiples et variées : Ordinateur, PDA console de jeux calculatrice télévision téléphone portable distributeur automatique d’argent robotique lecteur carte à puce, code barre automobile instrumentation etc… 39 Architecture des ordinateurs 40  Architecture des ordinateurs 6. Positionnement du problème On souhaite construire un ordinateur basé sur l’utilisation de la base 2 Problème: représentation des nombres réalisation des opérations arithmétiques : Séquenceur intégration. 41  Architecture des ordinateurs 2.7. Principes fondamentaux Tous les ordinateurs sont fondés sur les mêmes principes de base: programmes / données processeur / mémoire / périphériques informations codées en binaire traitements effectués en binaire Pourquoi la base 2 ? Simple générale Depuis l ’ENIAC, seule la technologie a changée : lampe à vide - transistor - circuit intégré - microprocesseur d’où : plus rapide, plus petit, moins gourmand, plus fiable, moins coûteux 42  Architecture des ordinateurs GENERALITES 43