Chapitre 3: Composants Électroniques d'un Ordinateur PDF

Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Les principaux composants d’un ordinateur et leur rôle Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Qu’est-ce qu’un processeur ? Le processeur ou CPU (Central Processing Unit) est le composant de votre ordinateur qui exécute le...

Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Les principaux composants d’un ordinateur et leur rôle Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Qu’est-ce qu’un processeur ? Le processeur ou CPU (Central Processing Unit) est le composant de votre ordinateur qui exécute les instructions qui lui sont données par votre système d’exploitation (Windows). Quand vous exécutez un logiciel, décompressez une archive ZIP ou regardez une vidéo en haute définition, vous faites travailler en priorité le processeur ! Pour répondre à vos demandes les plus exigeantes, le processeur peut être doté des plusieurs cœurs. Fréquence de fonctionnement Les microprocesseurs sont cadencés par un signal d'horloge (signal oscillant régulier imposant un rythme au transfert entre circuit). Au milieu des années 1980, ce signal avait une fréquence de 4 à 8 MHz. Dans les années 2000, cette fréquence atteint 3 GHz. Plus cette fréquence est élevée, plus le microprocesseur peut exécuter à un rythme élevé les instructions de base des programmes. Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Qu’est-ce qu’un cœur ? Un processeur standard possède un cœur (on dit qu’il est single-core). Un processeur avec un seul cœur ne peut traiter qu’une seule instruction à la fois, une instruction étant une tâche que l’on demande au processeur d’exécuter : convertir une vidéo, compresser des fichiers volumineux, exécuter un logiciel, etc. Plusieurs instructions peuvent être traitées par le cœur d’un processeur mais ce sera toujours en série, c’est-à-dire une instruction à la fois. Avant l’apparition des processeurs multi-cœurs, on avait l’impression que les processeurs avec un seul cœur étaient multi- tâches tellement ils passaient d’une instruction à une autre rapidement mais il n’en était rien, Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Qu’est-ce qu’un processeur multi-cœurs ? Un processeur multi-cœur est composé de deux ou plusieurs cœurs indépendants, chacun étant capable de traiter des instructions individuellement. Un processeur dual-core contient deux cœurs, un processeur quad-core quatre cœurs, un processeur hexa-core six cœurs… Sur la représentation graphique ci-contre, on distingue bien les quatre cœurs du processeur Intel Core i7-2600K : Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur A quoi peut me servir plusieurs cœurs ? Un processeur multi-cœur permet à l’utilisateur d’exécuter plusieurs tâches en même temps sans subir de ralentissements ! Autrement dit, les cœurs sont utiles si vous utilisez plusieurs logiciels à la fois. Quand un programme (un logiciel de retouche photo par exemple) est en cours d’exécution et traité par un cœur, vous pouvez solliciter un autre cœur pour utiliser votre navigateur Web ou écrire un document, sans subir de ralentissements. Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Les Types de CPU : Intel et AMD (Advanced Micro Devices) sont deux des fabricants de processeurs les plus populaires. La plupart des ordinateurs et ordinateurs portables utilisent des processeurs de ces deux sociétés. Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Intel Core i5 6500U Nomenclature des processeurs Génération : Il s'agit de la génération du processeur, ici 6 pour la 6ème génération. Identifiant : Identifiant indiquant plus ou moins les performances du processeur. Plus le chiffre est haut, plus le processeur est puissant. Suffixe : Précise certaines informations sur le processeur, comme AMD Ryzen 5 6600H l'overclocking ou la basse consommation Génération : Il s’agit de la génération du processeur, ici 6 pour la 6ème génération. Appelé également « Serie 6000 » Identifiant : Identifiant indiquant plus ou moins les performances du processeur. Plus le chiffre est haut, plus le processeur est puissant. Suffixe : Précise la consommation énergétique. Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Composition d'un processeur Les parties essentielles d’un processeur sont : CPU Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Le microprocesseur est divisé en trois parties principales. Il s'agit de l'UAL (Unité Arithmétique et Logique), du jeu de registres, et de l'Unité de commande. Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Un Registre c’est Quoi? Un registre est une petite partie de mémoire intégrée au microprocesseur, dans le but de recevoir des informations spécifiques, notamment des adresses et des données stockées durant l'exécution d'un programme, Il existe plusieurs types de registres. Certains d'entre eux sont affectés à des opérations d'ordre général et sont accessibles au programmeur à tout moment. Nous disons alors qu'il s'agit de registres généraux. D'autres registres ont des rôles bien plus spécifiques et ne peuvent pas servir à un usage non spécialisé Il existe plusieurs type de registre dans le microprocesseur. - Les registres de données - Les registres d’état - Les registres pointeurs Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur L’unité de commande Elle permet de séquencer le déroulement des instructions. Elle effectue la recherche en mémoire de l'instruction, le décodage de l’instruction codée sous forme binaire. Enfin elle pilote l’exécution de l’instruction. Les registres de l’unité de commande sont : 1- Le compteur de programme (PC : Programme Counter) appelé aussi Compteur Ordinal (CO) est constitué par un registre dont le contenu est initialisé avec l'adresse de la première instruction du programme. Il contient toujours l’adresse de la prochaine instruction à exécuter. Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur 2- Le registre d'instruction contient l'instruction en cours d'exécution 3- le décodeur d'instruction : : à partir du code de l'instruction, détermine l'opération à exécuter. 4- L'horloge : pour synchroniser les éléments. 5- RAM (RA, registre adresse) et RDM (ou RD registre de données) : registres d'interfaçage avec la mémoire centrale. 6- Bloc logique de commande (ou séquenceur) : Il organise l'exécution des instructions au rythme d’une horloge. Il élabore tous les signaux de synchronisation internes ou externes (bus de commande) du microprocesseur en fonction de l’instruction qu’il a à exécuter. Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur L'Unité Arithmétique et Logique (UAL): Elle regroupe les circuits qui assurent les traitements nécessaires à l'exécution des instructions Les registres de l’unité de traitement : 1- Les accumulateurs sont des registres de travail qui servent à stocker une opérande au début d'une opération arithmétique et le résultat à la fin de l'opération. 2- L’Unité Arithmétique et Logique (UAL) est un circuit complexe qui assure les fonctions logiques (ET, OU, Comparaison, Décalage, etc…) ou arithmétique (Addition, soustraction…). Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur L'Unité Arithmétique et Logique (UAL): UAL : Unité Arithmétique et Logique 3- Un registre d’état : Ce registre nous indique l’état du déroulement de l’opération. Ce registre est composé d’un ensemble de bits. Ces bits s’appellent indicateurs (drapeaux ou flags), qui sont mis à jours (modifiés) après la fin de l’exécution d’une opération dans l’UAL. Les principaux indicateurs sont : - Retenue (C) : ce bit est mis à 1 si l’opération génère une retenue. - Signe (S) :ce bit est mis à 1 si l’opération génère un résultat négative. - Débordement(OV) :ce bit est mis à 1 s’il y a un débordement. - Zéro : ce bit est mis à 1 si le résultat de l’opération est nul Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur L'Unité Arithmétique et Logique (UAL): L’UAL possède 3 entrées (A,B et F) et 2 sorties ( R et D) : Entrée F : Représente le code de l’opération à exécuter (ex : + , - , X,…etc). Les Entrées : A et B, représentent les données (opérandes) de l’opération. Sortie R : Résultat de l’opération. Sortie D : indicateur d’erreur. Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur L'Unité Arithmétique et Logique (UAL): 4- Registres généraux : - Le microprocesseur peut contenir d’autres registres autre que CO,RI et ACC. - Ces registres sont considérés comme une mémoire interne (registre de travail ) du microprocesseur. - Ces registres sont plus rapide que la mémoire centrale , mais le nombre de ces registre est limité. - Généralement ces registres sont utilisés pour sauvegarder les données avant d’exécuter une opération. - Généralement la taille d’un registre de travail est égale à la taille d’un mot mémoire Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur 5- La mémoire cache (Cache CPU) La mémoire cache est une petite quantité de mémoire très rapide située à l’intérieur du processeur Elle a pour but de stocker temporairement les données et les instructions fréquemment utilisées par le processeur. Ainsi, au lieu de chercher ces informations dans la mémoire principale (RAM) qui est plus lente, le processeur peut les récupérer rapidement depuis la mémoire cache. Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Différents niveaux de mémoire cache Il existe généralement trois niveaux de mémoire cache dans un processeur, appelés L1, L2 et L3. Le cache L1 est le plus rapide et le plus proche du cœur du processeur, tandis que le cache L3 est le plus lent et le plus éloigné. Les données sont d’abord stockées dans le cache L1, puis transférées vers les caches L2 et L3 si elles sont moins fréquemment utilisées. Dans tous les cas, l’ordre de rapidité des différents niveaux de cache est : Le L1 Le L2 Le L3 Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur L'Unité Arithmétique et Logique (UAL): Prenons l’exemple d’exécuter l’opération d’addition z=x+y par l’UAL Le programme machine s ’écrit de la façon suivante: 4 1 Load x {chargement de l’accumulateur avec x : (1)} Add y {préparation des opérandes x et y vers l’UAL : (2)} 2 2 {lancement commande de l’opération (addition) dans l’UAL : (3)} {résultat transféré dans l’accumulateur : (3)} 3 3 Store z {copie de l’accumulateur dans z : (4)} Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Les bus pour que les données circulent entre les différentes parties d’un ordinateur (mémoire, CPU et les entrées/sorties), il existe des systèmes de communication appelés bus. Il en existe de 3 grands types : - Le bus d’adresse permet de faire circuler des adresses. C’est un bus uniderectionnel. - Le bus de données permet de faire circuler des données, C'est un bus bidirectionnel. - Le bus de contrôle permet de spécifier le type d’action Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Les Registres RDM-R@M Le Registre de Données Mémoire (RDMou RD) interface le processeur avec le bus de données Le Registre Adresse Mémoire (R@M ou RM) interface le processeur avec le bus d’adresses Schéma fonctionnel Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Etapes d’exécution des instructions par le processeur L’exécution du programme s’effectue instruction par instruction, sous le pilotage de l’unité de commande du processeur. Le traitement d’une instruction par le processeur se découpe en trois étapes : FETCH : l’instruction est lue en mémoire centrale et copiée dans le registre RI du processeur DECODAGE : l’instruction est reconnue par l’unité de commande EXECUTION : l’opération correspondant à l’instruction est réalisée Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Etapes d’exécution des instructions par le processeur Supposez que vous voulez multiplier deux variables a et b, stockées dans les positions de mémoire M et M, respectivement, pour affecter cette valeur à la variable v, stockée à la position de mémoire M C'est-à-dire, vous voulez effectuer l'opération: u = a*b ou: M = M*M Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Etapes d’exécution des instructions par le processeur Phase 1: Recherche de l'instruction à traiter (Fetch) 1- Le CO contient l'adresse de l'instruction suivante du programme. Cette valeur est placée sur le bus d'adresses par l'unité de commande qui émet un ordre de lecture. 2- Au bout d'un certain temps (temps d'accès à la mémoire), le contenu de la case mémoire Sélectionnée est disponible sur le bus des données. MDR 3- L'instruction est stockée dans le registre instruction du processeur. IR Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Etapes d’exécution des instructions par le processeur Phase 2 : Décodage de l’instruction et recherche de l'opérande Le registre d'instruction contient maintenant le premier mot de l'instruction qui peut être codée sur plusieurs mots. Ce premier mot contient le code opératoire qui définit la nature de l'opération à effectuer (addition, rotation,...) et le nombre de mots de l'instruction. 1- L'unité de commande transforme l'instruction en une suite de commandes élémentaires nécessaires au traitement de l'instruction. 2- Si l'instruction nécessite une donnée en provenance de la mémoire, l'unité de commande récupère sa valeur sur le bus de données. 2- L’opérande est stocké dans un registre Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Etapes d’exécution des instructions par le processeur Dans notre cas 1- L’unité de commande indique à l’UAL d’effectuer l’opération de multiplication 2- L’unité de commande lit les adresses des opérandes a puis b MDR 3- les données a et b sont stockées dans des registres (soit dans l’accumulateur s’il existe ou dans des registres généraux) R1 R2 Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Etapes d’exécution des instructions par le processeur Phase 3 : Exécution de l'instruction 1. Le micro-programme réalisant l'instruction est exécuté le résultat est mis dans le registre 2- Les drapeaux sont positionnés (registre d'état). 3- L'unité de commande positionne le CO pour l'instruction suivante. Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Ventirad Les processeurs ont un système de refroidissement dédié. Ce refroidissement est indispensable. Les processeurs vendus en version boîte (ou box) incluent un tel système de refroidissement. Il s'agit d'un refroidissement à air actif : cela consiste à fixer un radiateur et un ventilateur sur le processeur (cette combinaison est également appellée "ventirad"). Socket LGA 1150 (Intel) Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Exercice 1: énoncé Pour chaque instruction, indiquez les informations circulant sur les différents chemins de données Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur 0 Load ACC, #25 ; ACC = 25 (valeur immédiate) Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur 1 Load R0, ACC ; R0 = ACC Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur ADD ACC, R0 ; ACC = ACC + R0 Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur Load 80,ACC ; Mem = ACC (adressage direct) Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur JUMP 1 ; PC = 1 Chapitre3: Composants électroniques d'un ordinateur 1 Load R0, ACC ; R0 = ACC