IPT 1 : Architecture d'un ordinateur...Quelquescaractéristiques capacité:nombredebitsquepeutcontenirunemémoire déﬁnitsacapacité,donnéesennombred’octets,c’est-à-direen

IPT 1 : Architecture d’un ordinateur

PCSI - Fénelon-Sainte-Marie

introduction

But : décrire la constitution d’un ordinateurrien sur le détail logique du fonctionnement du processeur(portes logiques)rien sur le détail électronique (amplificateurs opérationnels,transistors,...).

bonne connaissance de cette architecture nécessaire pour uneutilisation optimale !

Sommaire

1 Introduction1.1 informatique1.2 ordinateur

2 architecture de Von Neumann

3 résumé - carte-mère

4 système d’exploitation

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informatique

trois niveaux différents :niveau matériel = physique : données stockées sursupports magnétiques/optiques et transformées par desimpulsions électriques ;niveau fonctionnel = global : l’utilisateur a l’impression demanipuler des données à son échelle auxquelles il applique destransfo. macroscopiques ;niveau théorique = logique (logiciel), "intercalé" entre lesdeux autres : données manipulées stockées dans des bits, et lestraitements qui leur sont appliqués s’expriment par desalgorithmes.

définitions

informatique = information + automatique :

informatique

L’informatique (= Computer Science) est la science du traitementde l’information, effectué par une machine à l’aide de logiciels ou deprogrammes.

informatique = appliquer à un ensemble de données initiales desrègles de transformation/calcul déterminées (⇒ automatique)

⇒ pas de réflexion ni de prise d’initiative de la part de lamachine.

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définitions

ordinateur

appareil concret permettant le traitement automatique desdonnées :

1 lire toute séquence d’instructions écrites dans un langagepréalablement défini,

2 exécuter de façon cohérente ces instructions, via les procédéscalculatoires physiques nécessaires.

exemples : PC, tablettes, smartphones, calculatricesprogrammables.

définitions

Pour traiter des données, l’ordinateur doit permettrel’entrée des données initialesl’entrée des règles d’automatisation (programme)la sortie du résultat du traitement

schéma classique du fonctionnement d’un ordinateur =architecture de Von Neumann

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1 Introduction

2 architecture de Von Neumann2.1 description2.2 entrées - sorties2.3 mémoire2.4 unité centrale = Central Processing Unit



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1 Introduction




description

Von Neumann avc John W. Mauchly et John Eckert, en 1945 :

Unité centrale

PROCESSEUR MÉMOIRE

Unité de commande Programmes

Unité de calcularithmétiqueet logique

Données

PÉRIPHÉRIQUES D’ENTRÉE

clavier, souris...

PÉRIPH. DE STOCKAGE :clé USB, disque dur...

PÉRIPH. DE SORTIE :écran, imprimante...

description

exécution d’un programme

programme et données chargés en mémoire centraleles instructions du programme sont lues séquentiellement parl’unité de commande qui déclenche le traitement approprié enenvoyant des signaux à l’unité arithmétique et logiquesi nécessaire, appel aux entrées et/ou sorties.

évolution ordinateurs

Après 4 générations d’ordinateurs, architecture très proche duschéma de l’architecture de Von Neumann

Génération 0 : 17ème siècle à 1945 −→ Calculateursmécaniques1ère génération : 1945 – 1955 : tubes à vides, premierscalculateurs électroniques −→ Ex : ENIAC2ème génération : 1955 – 1965−→ Transistors, premièresséries commerciales d’ordinateurs3ème génération : 1965 – 1980 −→ Circuits intégrés, montéeen puissance et miniaturisation4ème génération : 1980 à aujourd’hui −→ Very / Ultra LargeScale Integration, Intégration de milliers à milliards detransistors sur une même puce

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1 Introduction




entrées - sorties

−→ périphériques d’entrée : permettent à un utilisateur d’entrerà l’ordinateur des données, sous des formats divers.Exemples : clavier, souris, scanner, micro,...−→ périphériques de sortie : permettent de restituer desinformations à l’utilisateur.Exemples : écran, imprimante, enceintes, graveur ...

Remarque : certains périphériques = entrée et sortie, comme lesécrans tactiles.

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1 Introduction

2 architecture de Von Neumann2.1 description2.2 entrées - sorties2.3 mémoire

Quelques caractéristiquesLes types de mémoire

2.4 unité centrale = Central Processing Unit



mémoire

mémoire

tout élément qui permet d’enregistrer, de stocker et de restituer desdonnées.

mémoire centrale = principale

contient le programme en cours d’exécution et les données à traiter.

– ne contient que des bits = unité élémentaire d’information,pouvant prendre la valeur 0 ou 1.– bits regroupés en cellules, contenant toutes le même nombre debits, repérées chacune par une adresse (codée en binaire !)permettant d’y accéder précisément.– cellule ou case mémoire = plus petite quantité d’information àlaquelle on peut s’adresser.

mémoire

Les fabricants d’ordinateur se sont accordés à utiliser des cellulesde 8 bits, soit un octet :

un octet permet de coder 28= 256 caractères différents⇒ ts les caractères alphanumériques occidentaux + caractères

spéciaux.

exemple : mémoire de 2 Go : 2 milliards de cellules mémoires !

Pour accéder plus efficacement à la mémoire, les processeurstravaillent sur des mots mémoire, qui regroupent plusieurs cellules.Exemple : Si mots de 4 cellules, ordinateur "32 bits".

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1 Introduction






Quelques caractéristiques

capacité : nombre de bits que peut contenir une mémoiredéfinit sa capacité, données en nombre d’octets, c’est-à-dire engroupement de huit bits.1 ko = 103 octets ( et plus 210 = 1024 octets)temps d’accès : temps mis par la machine entre l’instant delancement de la commande d’écriture ou de lecture et saréalisation.exemple : pr la majeure partie de la mémoire centrale :taccès ' 10ns, indépendant de la position du mot cherché dansla mémoire ⇒ Random Access Memory ou mémoire vive,accessible en lecture et en écriture, et qui s’efface à l’arrêt del’ordinateur.débit : nombre de bits écrits ou lus par seconde.

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1 Introduction






Les types de mémoire

registres mémoires = mémoires particulières, au sommet dela hiérarchie mémoire

mémoire la plus rapide d’un ordinateur(taccès ' 1ns, (⇒ coûtde fabrication le plus élevé !)registre d’adresse : contient ttes les adresses des cellulesmémoiresnombre d’adresse contenue par ce registre : limite le nombre decellules mémoire.Ex : Un registre 32 bits peut fournir 232 ' 4.109 adresses doncmémoire centrale limitée à 4 GoEx2 : registre 64 bits peut fournir 264 ' 1,8.1019 adresses !

Remarque : dans un terminal, la commande "arch" permet desavoir à quel type d’architecture on a affaire.On peut aussi trouver cette information dans "outils système"


mémoires vives = RAM.plus rapides et de plus faible capacité (typiquement 4 à 8 Go)que les mémoires de masse (cf. ci-dessous)volatiles : s’effacent dès qu’elles sont hors tension.

exemples :1 mémoire cache (ou mémoire tampon) : mémoire rapide

permettant de réduire les délais d’attente des info. stockéesdans la mémoire centrale (taccès ' 5ns).capacité d’un cache : généralement en ko pour les deuxpremiers niveaux et en Mo pour le troisième.

2 mémoire centrale qui contient le code et les données desprogrammes exécutés par le processeurCapacité ' Go, taccès ' 10nsdivisée en emplacements de taille fixe (en général 8 bits,c’est-à-dire un octet).registres d’adresses de 32 ou 64 bits


mémoires mortes ou ROM pour Read Only Memory, nonaccessibles en écriture, dont le contenu est fixé par le fabricant.contient notamment les info. nécessaires au démarrage et destables de constantes).mémoires de masse : plus lentes, plus grande capacité(jusqu’à plusieurs téraoctets,non volatiles.exemples : disque dur, clé USB, mémoire flash...remarque : disque dur lui aussi organisé– formatage de bas niveau : pistes et secteurs- ensuite répartis en fichiers lors du formatage de haut niveau.(Système de fichier NTFS pour Windows et Ext3 ou 4 pourLinux)– secteurs regroupés en clusters ou blocs= plus petite unitéaccessible de la mémoire de masse.

nécessité de ces différentes mémoires

– rapidité d’un ordinateur : dépend de la rapidité en lecture et enécriture des mémoires.– mémoires les plus rapides = les plus chères et volatiles– conséquence : la RAM et la mémoire de masse d’un ordinateuréchangent en permanence des info. :

au démarrage de l’ordinateur, des programmes sont transférésde la mémoire de masse vers la mémoire vive ;lorsque l’on tape un texte dans un traitement de texte, celui-ciest d’abord sauvegardé dans la RAM puis, lorsque l’ondemande son enregistrement, les données sont transférées versla mémoire de masse (clé USB, disque dur...).

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1 Introduction




CPU

– CPU = coeur de l’ordinateur– traite l’information– contient l’unité de commande et l’unité arithmétique et logique.

Unité de commande

gère l’exécution des instructions d’un programme.Le registre d’instruction contient l’instruction en coursle compteur ordinal contient l’adresse de la prochaineinstruction à réaliserenchaînement des commandes est rythmé par une horloge,externe à l’unité.

UAL

contient les circuits électroniques qui réalisent les opérationsusuelles ( +, * , / , - , ET, OU ...)

Pour communiquer entre elles, les différentes unités de l’ordinateursont interconnectées par des systèmes de câblage = bus (lignesexploitées en commun par tous les dispositifs qui y sont reliésplutôt que de relier les dispositifs deux à deux !)

bus

Un bus transmet trois types d’informations :bus d’adresse, unidirectionnel du processeur vers la mémoire :indique l’adresse à laquelle le processeur veut lire ou stockerune donnéebus de données : bidirectionnel, transporte des instructions dela mémoire vers le processeur ou l’inversebus de commande : transporte les ordres et les signaux desynchronisation en provenance de l’unité de commande et àdestination de l’ensemble des composants matériels.

bus

–largeur d’un bus, exprimée en bits : nombre de lignes physiquessur lesquelles les données sont envoyées de manière simultanée.exemple : Une nappe de 32 fils transmet 32 bits en parallèle.

– vitesse du bus = fréquence (exprimée en Hertz) : nombre depaquets de données envoyés ou reçus par seconde.

– débit maximal du bus (ou taux de transfert maximal) : quantitéde données qu’il peut transporter par unité de temps = largeur ×fréquence.

exemple : Un bus d’une largeur de 16 bits, cadencé à une fréquencede 133 MHz a un débit égal à : 16*133*106= 266 Mo/s.

exemple

le programme en cours d’exécution demande la résolution del’opération 8 + 5, ces deux nombres étant stockés dans la mémoire,respectivement à l’adresse 1090 et à l’adresse 1230

1 Le processeur envoie 1090 via le bus d’adresse.2 La mémoire envoie au processeur le nombre situé à l’adresse

reçue, via le bus de données. Le processeur reçoit 8.3 Le processeur envoie 1230 via le bus d’adresse4 La mémoire envoie le nombre situé à l’adresse reçue au

processeur via le bus de données. Le processeur reçoit donc 5.5 Le processeur fait le calcul en utilisant l’UAL.6 Le processeur envoie le résultat à la mémoire via le bus de

données+ adresse 1500 via le bus d’adresse. L’emplacementmémoire à l’adresse 1500 contient alors le résultat : 13.

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1 Introduction




résumé – carte-mère

architecture d’un ordinateur

On voit ici un élément que l’on n’a pas encore mentionné : lacarte-mère.

http://www.cea.fr/multimedia/Pages/animations/technologies/fonctionnement-ordinateur.aspx

carte-mère

– = plus grand circuit électronique de l’ordinateur.– gère l’ensemble des composants électroniques en charge dutransfert des données entre les différents composants.

1 socket : recevra le processeur et servira à faire l’interface avecla carte mère. permet de changer de processeur

2 chipset : gère les flux de données entre le processeur et lesautres composants via le Front Side Bus (FSB).→ le Northbridge gère les relations avec la mémoire et lesports graphiques (AGP - Advanced Graphics Port). déterminele type de processeur et de mémoire (RAM) compatible avec lacarte mère→ le Southbridge gère les flux plus lents comme les busPeripheralComponentInterconnect.

carte-mère

carte-mère

3 Les slots mémoire reçoivent notamment la RAM .4 BIOS permet de vérifier que tous les composants nécessaires

au démarrage de l’ordinateur sont bien présents ; un ordinateurne peut démarrer sans BIOS.

5 CMOS : type de puce capable de stocker des informations etde les conserver même quand l’ordinateur est éteint. Soncontenu est maintenu grâce une pile. C’est grâce à elle quel’ordinateur retient l’heure même lorsqu’il est éteint. Le BIOSlit des informations dans la puce CMOS au démarrage.

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1 Introduction



4 système d’exploitation4.1 nécessité d’un système d’exploitation4.2 modèle en couches

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1 Introduction




nécessité d’un système d’exploitation

Un utilisateur ne peut pas connaître le fonctionnement exact de lamachine sur laquelle il travaille et créer lui-même les programmesnécessaires à la gestion des ressources de l’ordinateur et de sesentrées/sorties

⇒ le système d’exploitation (Operating System) s’en charge.

système d’exploitation

ensemble de programmes permettant de gérer de façonconviviale et efficace les ressources de l’ordinateur. Il réalise unpont entre l’utilisateur et le processeur.

nécessité d’un système d’exploitation

système d’exploitation =machine virtuelle, plus simple àprogrammer que la machine réelle.

interface de programmation pour l’utilisateur, qui demande ausystème d’effectuer certaines tâchesdialogue ensuite avec la machine pour réaliser les tâches qui luisont demandées.= gestionnaire de ressources : contrôle l’accès à toutes lesressources de la machine, l’attribution de ces ressources et lalibération de ces ressources quand elles ne sont plus utilisées.

exemples d’OS : Windows, Unix

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1 Introduction




modèle en couches

Chaque couche représentée utilise les fonctions des couches quisont situées en dessous.

UtilisateursInterface utilisateur - interpréteur de commandesPlanification du travail et allocation des ressources

Gestion des fichiersOrganisation des entrées/sorties

Gestion de la mémoireNoyau : gestion des processus - gestion desinterruptions - allocation du processeur

Machine

résumé

les différents travaux ("services") que doit effectuer un systèmed’exploitation moderne sont :

1 la gestion des processus, qui n’a de sens que sur les machinesfonctionnant en temps partagé.

2 la gestion de la mémoire3 la gestion des entrées / sorties4 le système de fichiers, qui propose une interface abstraite pour

manipuler des données.5 la gestion des communications entre machines.

caractère monotâche

l’architecture de Von Neumann est fondamentalement monotâche.Le système d’exploitation permet en apparence de d’exécuter plsprogrammes en même temps :Exemple : codage Python + écoute musique.

– Le système d’exploitation commence par exécuter le programmede lecture audio et envoie quelques secondes de son sur lepériphérique dédié.– Le temps que ces quelques secondes soient passées, le systèmed’exploitation se met en attente.- Au cours de cette attente une lettre est tapée au clavier, lesystème d’exploitation exécute alors le programme dedéveloppement Python et une lettre est affichée à l’écran– Le système d’exploitation repasse alors en attente, ....

caractère monotâche

Sous linux, dans un terminal avec la commande "top", sousWindows avec le gestionnaire de tâches, liste processus en cours.processus

exécution d’un programme.

affichage est dynamique,évolue au cours du temps.root = superutilisateur qui lance les processus système.PID indique l’identifiant du processus.

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1 Introduction




le système de fichiers

Les données utilisateurs et les programmes sont stockés dans lamémoire de masse, qui est organisée en un système de fichiers quipermet aux utilisateurs et aux programmes de les utiliser, d’en créerde nouveaux, de les modifier...

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1 Introduction




fichier

définition

Un fichier est une suite ordonnée d’octets qu’un programme peutlire ou modifier.

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1 Introduction




définition

Un répertoire est un ensemble de fichiers et de sous-répertoiresdésignés par des noms.

arborescence linux

arborescence windows

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1 Introduction




opérations permises par les systèmes de fichiers

1 l’ouverture d’un fichier : recherche d’après son nom un fichiersur le périphérique de stockage.=> fichier repéré par son nom et un chemin d’accès uniquedepuis la racine (path).

2 La création d’un fichier3 L’écriture dans un fichier4 La lecture dans un fichier5 La fermeture d’un fichier6 La suppression d’un fichier7 La lecture ou la modification des caractéristiques d’un fichier.

droits d’accès

Un utilisateur standard :peut lire et écrire dans son propre répertoirepeut lire et écrire dans le répertoire « public »ne peut ni lire et ni écrire dans le répertoire d’un autreutilisateurne peut pas installer ou supprimer d’applications.

résultat de la commande ls -l sous linux

Les droits sont marqués à gauche, sous la forme -rw-rw-r– :r comme readw comme writex pour execute

chmod -r fichier enlève les droits en lecture ;chmod +r fichier remet les droits en lecture.

IPT 1 : Architecture d'un ordinateur...Quelquescaractéristiques capacité:nombredebitsquepeutcontenirunemémoire déﬁnitsacapacité,donnéesennombred’octets,c’est-à-direen

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