Architecture des Ordinateurs et Systèmes Logiques PDF - IHEC 1BI - 2024-2025

ARCHITECTURE DES ORDINATEURS & SYSTÈMES LOGIQUES Ilhem Baroud OBJECTIFS DU COURS Permettre à l’étudiant d’appréhender l’organisation et le fonctionnement d’un ordinateur indépendamment des aspects réalisation et technologie. ARCHITECTURE DES...

ARCHITECTURE DES ORDINATEURS & SYSTÈMES LOGIQUES Ilhem Baroud OBJECTIFS DU COURS Permettre à l’étudiant d’appréhender l’organisation et le fonctionnement d’un ordinateur indépendamment des aspects réalisation et technologie. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 2 PLAN DU COURS 1 Introduction générale 4 Les mémoires 2 Codage de l’information 5 Le microprocesseur 3 Les systèmes logiques 6 Sous-système d’entrées/sorties ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 3 DÉROULEMENT DU COURS  Présence  Module : Système1  Coefficient : 1  Système d’évaluation : Régime mixte (20% contrôle continu + 80% examen)  Volume horaire : 21h de cours + 10,5 de TD ( 1 séance de TD / quinzaine / groupe)  Contrôle continu : Remise des travaux de TD sur la plate-forme Google Classroom  Accès à la plate-forme Google Classroom avec le compte fourni par l’administration [email protected]  Intitulé du cours sur Google Classroom : ArchitectureEtSystèmes2024  Code du cours : 4zesvfr  S’inscrire au cours avec prénom et nom corrects et photo de profil claire. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 4  CHAPITRE 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE À L’ARCHITECTURE DES ORDINATEURS PLAN DU CHAPITRE Architecture de Von Chronologie 1 2 Newmann Software 4 Système d’exploitation 3 ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 6 1- CHRONOLOGIE Architecture de Von Chronologie 1 2 Newmann Software 4 Système d’exploitation 3 7 1. CHRONOLOGIE QU’EST-CE QUE L’INFORMATIQUE ?  En 1962, Philippe Dreyfus utilise, pour la première fois, le terme informatique (information + automatique)  L’informatique est le traitement automatique de l’information  En 1967, l’académie française dresse la définition du terme « informatique » « La Science du traitement rationnel, notamment à l’aide de machines automatiques, de l’information, considérée comme le support de connaissances dans les domaines scientifique, économique et social. » - Académie Française, 1967 - ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 9 9 ORIGINES DE L’ORDINATEUR  Un besoin de calculer depuis l’antiquité  Abaque, 2400 ans Av. JC en Mésopotamie  Boulier en Chine, Inde et Egypte  Calculette en bronze chez les romains Abaque Boulier ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 10 10 LES MACHINES À CALCULER  Un besoin de calculer de plus en plus vite, avec moins d’erreurs  1642, Blaise Pascal invente La Pascaline ( addition et Soustraction)  1673, Gottfried Wilhelm Leibniz invente la machine de Leibniz (addition, soustraction, multiplication et division).  À partir de 1820, fabrication des premiers calculateurs mécaniques. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 11 11 LES MACHINES À CALCULER  1834, Charles Babbage crée une machine à calculer avec cartes perforées  À partir de 1885, les machines sont dotées de claviers  Après la découverte de l’électricité, les manivelles des calculateurs sont remplacées par des moteurs. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 12 12 LES PREMIERS ORDINATEURS MODERNES  Durant la première partie du 20ème siècle, l’avancée des mathématiques a contribué à l’évolution de la recherche informatique  1938, Konrad Zuse a créé le Z3, premier ordinateur utilisant le binaire. Opérations en 4 secondes, en moyenne.  1943, Howard Aiken (IBM) a créé le Mark I. Poids 5 tonnes, H. 17m, L. 2.5m. 5 fois plus rapide que l’homme dans le calcul. But militaire (décryptage, calcul balistique, bombe H.) ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 13 13 LES ORDINATEURS À LAMPES  1943, l’ENIAC  Premier ordinateur sans pièces mécaniques.  18000 lampes  Occupe un espace de 160 m²  Programmation manuelle (à l’aide de tubes) ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 14 14 LES ORDINATEURS À LAMPES  1946, l’EDVAC  Permet la mémorisation de programmes  1024 mots en mémoire centrale.  20000 en mémoire magnétique.  Fonctionne en binaire.  Pèse 7850 kg et occupe un espace de 45,5 m²  Nécessite une équipe de 30 personnes pour le faire fonctionner. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 15 15 LES ORDINATEURS À LAMPES  1948, invention du transistor  Révolution informatique grâce au transistor  Ordinateurs moins encombrants.  Moindre consommation d’électricité Le transistor est un interruteur et amplificateur du courant électrique, réalisé pour la première fois par les américains John Bardeen,William Shockley et Walter Brattain, chercheurs des laboratoires Bell ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 16 16 DU MICRO-ORDINATEUR À LA NANO-TECHNOLOGIE  1950 - 1960, révolution de l’informatique  Conception des premiers langages de programmation : FORTRAN, LISP, COBOL  Naissance des circuits intégrés : coût taille Un circuit intégré, ou puce électronique, est un dispositif électronique qui lie plusieurs transistors sans l’utilisation de fils électriques. Inventé par l’américain Jack Kilby en 1958. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 17 17 DU MICRO-ORDINATEUR À LA NANO-TECHNOLOGIE  1960 - 1970, ouverture de l’utilisation de l’informatique.  Au début, l’informatique était utilisée à des fins militaires (département de la défense américain)  IBM ouvre l’informatique à la vie civile  Ouverture de plusieurs départements de science de l’informatique dans les universités américaines. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 18 18 DU MICRO-ORDINATEUR À LA NANO-TECHNOLOGIE  Années1970, la micro-informatique  1970, création du premier Système d’Exploitation (UNIX ; ancêtre de l’IOS Apple)  1971, développement du premier microprocesseur par INTEL et lancement du premier micro-ordinateur par Steeve Jobs et Steve Wosniak (futurs fondateurs d’Apple Inc.)  À partir de 1975, ouverture de l’industrie des logiciels  1977, naissance de Apple Inc. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 19 19 DU MICRO-ORDINATEUR À LA NANO-TECHNOLOGIE  Années1970, la micro-informatique  1981, création du premier PC par IBM  Jusqu’à aujourd’hui les avancée technologiques s’accélèrent  Miniaturisation des composants.  Augmentation des performances de stockage et de traitement. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 20 20 2- ARCHITECTURE DE VON NEWMAN Architecture de Von Chronologie 1 2 Newmann Software 4 Système d’exploitation 3 ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 21 2. Architecture de Von Newmann MODÈLE D’ARCHTECTURE DE VON NEWMANN  John Von Newmann : créateur de l’EDVAC  Modèle structurel d’ordinateur dans lequel une unité de stockage (mémoire) unique sert à conserver à la fois les instructions et les données.  Il existe d’autres modèles d’architectures tel que le modèle HARVARD qui est basé sur des mémoires séparées pour les traitement et les données.  Les ordinateurs actuels sont tous basés sur des versions améliorées de cette architecture. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 23 23 MODÈLE D’ARCHTECTURE DE VON NEWMANN Mémoire Control Processing Unit Unité de commande CPU Unité Arithmétique et Logique Entrées UAL Bus UC Registres Sorties ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 24 24 ORGANISATION DE BASE D’UN ORDINATEUR  Unité de traitement : le processeur  Unité de stockage : les mémoires  Unités d’entrées / sorties : les périphériques  Unités de communication : les bus Un ordinateur est une machine électronique capable d’acquérir des données et des informations qui sont stockées afin d’être traitées en exécutant des instruction et de restituer des résultats. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 25 25 LE MICROPROCESSEUR  Le microprocesseur est le « cerveau » de l’ordinateur  Nommé, également, CPU acronyme de Control Processing Unit ou Unité de Contrôle et de Traitement.  Physiquement, il s’agit d’une puce électronique (circuit intégré) composé de plusieurs milliards de transistor. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 26 26 LE MICROPROCESSEUR  La performance d’un microprocesseur est proportionnelle à :  La fréquence de son horloge mesurée en MégaHertz (Mhz) ou en GigaHertz (Ghz)  Le nombre de cœurs (Core)  exécuter des programmes indépendamment  Le nombre et la taille de ses registres. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 27 27 LES COMPOSANTS DU MICROPROCESSEUR Mémoire CPU Entrées UAL UC Registres Sorties ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 28 28 L’UNITÉ DE COMMANDE  Nommée, également, unité de contrôle ou séquenceur.  Gère le fonctionnement global du processeur.  Responsable de la coordination et de la direction de l’exécution des instructions.  Interprète et décode les instructions tirées de la mémoire,  Contrôle le flux de données entre les différentes parties de l’UC ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 29 29 L’UNITÉ ARITHMÉTIQUE ET LOGIQUE  L’UAL est l’unité chargée des opérations de calcul.  Composée d’un circuit à portes logiques. Opérande 1 Opérande 2 (binaire) (binaire) Code instruction Statut Résultat ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 30 30 LES REGISTRES  Les registres sont des unités de stockage temporaires internes au microprocesseur.  Leur taille est réduite (quelques bits).  Les registres les plus importants sont : le registre d’adresses, le registre de données, le compteur ordinal, le registre d’état.  Le type du microprocesseur dépend de la taille du registre d’adresses, ainsi on distingue des microprocesseurs x32bits ou x64bits.  Un processeur 64bits peut adresser une mémoire de 264 cases mémoires soit 16 GO ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 31 31 LA MÉMOIRE RAM Mémoire ROM CMOS M. Cache CPU Entrées UAL UC Registres Sorties ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 32 32 LA MÉMOIRE  Composant électronique capable de stocker les Unités de mesures instruction et les informations de l’ordinateur. 1Kilo Octet =  La mémoire centrale de l’ordinateur est composée par la 1024 Octet RAM, la ROM, la mémoire cache et la mémoire CMOS.  Les autres mémoires auxiliaires ne font pas partie de la 1Méga Octet = mémoire centrale, ce sont des périphériques de stockage 1024 Kilo Octet (DD, CD-ROM, Flash Disk, etc) 1 Giga Octet =  La capacité de la mémoire est mesurée en Octet (byte en anglais). 1024 Méga Octet 33 33  1 octet = 8 bits (digit en anglais) LA RAM (RANDOM ACCESS MEMORY)  Puce électronique capable de stocker données, les résultats et les instructions en cours d’exécution.  Mémoire vive : on peut écrire dessus.  Mémoire temporaire.  Volatile, son contenu s’efface lorsque la machine est hors tension.  La capacité de la RAM est mesurée en Méga ou Giga octet. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 34 34 LA RAM (RANDOM ACCESS MEMORY)  La RAM est composée de plusieurs cases mémoires à accès direct (plus rapide que l’accès séquentiel)  Chaque case mémoire est définie par son adresse, et peut stocker une donnée, un résultat ou une instruction.  Les informations dans la mémoire sont organisées en mots de 8, 16, 32 ou 64 bits.  Le nombre de cases mémoires dépend de la taille du bus d’adresse du 35 35 microprocesseur. LA ROM (READ ONLY MEMORY)  La R.O.M est une mémoire morte, on ne peut pas modifier son contenu.  Elle est non volatile, son contenu ne s’efface pas quand on éteint la machine.  Elle contient les programmes nécessaires pour le démarrage de la machine, et qui sont inscrits par le constructeur.  Contient le BIOS (Basic Input Output System)  Actuellement, il existe des mémoires mortes réinscriptibles un nombre limité de fois. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 36 36 LA MÉMOIRE CACHE  C’est une mémoire vive et volatile.  De taille plus réduite que la RAM, mais à accès plus rapide. long i;  Peut être intégrée dans le microprocesseur ou installée double s = 0.0; dans une puce indépendante.  Stocke les données les plus fréquemment utilisées par le for (i = 1; i < microprocesseur, pour pouvoir leur accéder plus 50000000; i++) rapidement. s += 1.0 / i;  Sa taille peut varier de 2GO à 4GO Les boucles courtes tiennent entièrement ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 dans la mémoire cache 37 37 LA MÉMOIRE CACHE CPU Adresse mémoire Donnée lue Donnée existe dans le cache Accès intercepté par le cache M. Cache (cache hit) Donnée n’existe pas dans le cache (cache miss) Mémoire RAM ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 38 38 LA MÉMOIRE CMOS  Acronyme de Complementary Metal_Oxide-Semiconductor.  Technologie qui maintient un flux électrique de faible intensité même si l’ordinateur est éteint.  Stocke les paramètres de configuration du système : date et heure système, mot de passe, paramètres du matériel, ordre de démarrage  Sa durée de vie moyenne est de 10 ans ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 39 39 LES PÉRIPHÉRIQUES  Un périphérique est un dispositif qui se branche à un ordinateur pour augmenter ses capacités.  La connexion d’un périphérique peut être  câblée : HDMI, USB, Ethernet, etc.  non câblée :WIFI, Bluetooth, infrarouge  Les périphériques sont classés en périphériques d’entrée, périphériques de sortie et périphériques d’entrée/sortie (périphériques réseaux et dispositifs de stockage)  Pour connecter un périphérique à un ordinateur, il faut installer le pilote du périphérique. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 40 40 LES PÉRIPHÉRIQUES 41 41 LES BUS  Un bus est un dispositif de transmission de données entre des unités fonctionnelles.  Il existe trois sous-ensemble de bus :  bus d’adresses  bus de données  bus de contrôle  La transmission sur un bus peut être : en parallèle ou en série ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 42 42 LES BUS ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 43 43 3- SOFTWARE Architecture de Von Chronologie 1 2 Newmann Software 4 Système d’exploitation 3 ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 44 3. Software SOFTWARE (LOGICIEL)  Logiciel = logique + matériel  Ordinateur = matériel + logiciel Un logiciel est un ensemble de programmes et tout ce qui les rend opérationnels (fichiers de configuration, procédures automatiques, etc. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 46 46 SOFTWARE (LOGICIEL)  Deux catégories de logiciels : Logiciels applicatifs  Logiciels applicatifs Logiciels de bureautique Logiciels systèmes Aident les utilisateurs à effectuer Logiciels de gestion des tâches. Logiciels de graphisme Systèmes d’exploitation Logiciels de navigation Firewall  Logiciels système maritime Antivirus Effectuent de opérations en Pilotes de périphériques rapport avec l’appareil informatique. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 47 47 LICENCES LOGICIELLES  Selon le contrat de licence, on distingue :  Les logiciels propriétaires : seul le propriétaire peut distribuer ou modifier le logiciel.  Les logiciels libres ou open source : les utilisateurs peuvent accéder au code source, le modifier, l’adapter à leurs besoins et le rediffuser.  Les logiciels gratuits ou freeware : logiciel propriétaire qui peut être distribué, copié et utilisé gratuitement.  Les partagiciels ou shareware : l’auteur autorise aux utilisateurs de partager et diffuser le logiciel. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 48 48 LICENCES LOGICIELLES Logiciels open source Suite bureautique OpenOffice Logiciels propriétaires Système de contrôle de Freeware versions Git Suite bureautique Office de Système d’exploitation mobile Système d’exploitation ubuntu Android Microsoft Antivirus Avast Système d’exploitation Navirateur Mozilla Firefox Navigateur Microsoft Edge Mac OS Client de messagerie Shareware Adobe Flash Player Thunderbird SGBD Oracle Editeur de code source Problèmes de sécurité Client de messagerie Outlook NotePad++ Programmes malveillant Système de gestion de bases Vulnérabilité de sécurité de données MYSQL Logiciels sponsorisés Fuite de données dans les 49 entreprises 49 4- SYSTÈME D’EXPLOITATION Architecture de Von Chronologie 1 2 Newmann Software 4 Système d’exploitation 3 ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 50 4. Système d’exploitation SYSTÈME D’EXPLOITATION  Operating System (OS) en anglais.  Un logiciel système. Un système d’exploitation est un ensemble de programmes qui gèrent les ressources de l’ordinateur (mémoire, processeur, disque dur, etc.) et qui servent d’interface entre ces ressources et les logiciels applicatifs, afin de permettre à l’utilisateur de profiter des fonctionnalités de la machine. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 52 52 SYSTÈME D’EXPLOITATION  Le système d’exploitation est composé de :  Un noyau (Kernel) où sont regroupés tous les programmes basiques du système.  Une interface (shell) qui permet à l’utilisateur d’interagir avec le SE via des commandes.  Un systèmes de fichiers (File System FS) qui permet la gestion des données.  Pilotes génériques qui permettent l’interaction avec les périphériques. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 53 53 SYSTÈME D’EXPLOITATION Logiciels Applications utilisateurs Système d’exploitation Interface graphique / Commandes Shell Matériel Fonction de base du SE Noyau du SE ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 54 54 FONCTIONS DE BASE D’UN SYSTÈME D’EXPLOITATION  Le système d’exploitation possède les fonctionnalités suivantes:  Amorçage du PC.  Gestion de la mémoire centrale.  Gestion des processus.  Gestion des données et des périphérique de stockage à travers le système de fichiers.  Gestion des périphériques à travers les pilotes.  Gestion du dialogue Homme/Machine à travers une interface graphique ou à travers des commande Shell. ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 55 55 FONCTIONS DE BASE D’UN SYSTÈME D’EXPLOITATION 56 56 MISE EN ROUTE D’UN PC 1 Démarrage du BIOS (Basic Output Input System) Chargement et exécution de la configuration matérielle de base de l’ordinateur. 2 Chargement du noyau du système d’exploitation dans la RAM, à partir du disque dur. Exécution du noyau du SE 3 La main est donnée à l’utilisateur à travers de l’interface graphique ou les commande Shell ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 57 57 MISE EN ROUTE D’UN PC 1 ROM 3 Processeur Console Disque dur 2 Noyau du SE ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 58 58 RAM EXEMPLES DE SYSTEMES D’EXPLOITATION Microsoft Android Mac OS Google IOS Windows Apple Apple Linux AT&T Ubuntu BluckBerry RIM Windows phone ARCHITECTURE DES ORDINATEURS ET SYSTEMES LOGIQUES- IHEC - 1BI - A.U 2024-2025 Microfoft 59 CONCLUSION