Cours Architecture des Systèmes Informatiques Jean-Jacques Girardot

Cours Architecture des Systèmes Informatiques

• Jean-Jacques Girardot

• [e-mail]

• Première séance

• 21/09/99 - 28/09/99

Cours ASI : Plan Général

• Horaire : 8 séances, cours 1h30, td/tp 1h30, examen

• A : 21/09, 23/09, 7/10, 15/10, 18/10, 28/10, 29/10, 12/11
• B : 28/09, 30/09, 7/10, 8/10, 18/10, 22/10, 28/10, 15/11

• Structuration du cours

• Présentation générale ; matériel
• Structures des ordinateurs, nombres, arithmétiques
• Instructions, adressage, registres
• Compilation, exécution, allocation de la mémoire, pile
• Système d’exploitation, interruptions, périphériques
• Gestion de la mémoire, pagination
• Entrées/sorties, disques, fichiers
• Virus et sécurité

Cours ASI : buts

• Instruire l’ingénieur, satisfaire une curiosité technologique...

• Accompagner le cours “Structures de données, Algorithmes et Objets”

• Comprendre les disfonctionnements liés à des défaillances du matériel ou du logiciel… ou à une mauvaise utilisation de ceux-ci.

Support de cours

• Transparents, exercices

• Distribués à chaque cours

• Logiciels

• Simulateur, Assembleur, Compilateur C

• Sur le Web

• http://kiwi.emse.fr/ASI/

L’ordinateur

• Un outil universel

• tous les aspects de notre vie quotidienne

• Déclinaisons multiples

• gros systèmes, ordinateurs personnels, systèmes intégrés

• Une combinaison

• Matériel : la “machine”
• Logiciel : les “programmes”

Une brève historique

• Blaise Pascal 1623-1662

• Pascaline 1642 add./sous.

• von Leibnitz 1648-1716

• mult./div. 1672

• Charles Babbage 1792-1871

• machine à différences
• add./sous., tables numériques
• machine analytique [cart. perf.]
• programmable (inachevée)

• Konrad Zuse 1919-1995

• Z1, relais, 1936

Von Neumann

• 1903-1957

• Mathématicien

• 1943-1945 : EDVAC “Electronic Discrete Variable Automatic Computer”

• concept de programme enregistré

• Machine de Von Neumann

• IAS, Princeton University, 1952

Architecture de Von Neumann

• UC : unité centrale

• Anglais : CPU (Central Processing Unit)
• Central Arithmetic Unit, Central Control Unit, (Input/Output devices)

• BUS : dispositif de transfert d’information

• MEM : mémoire

• Anglais : RAM (Random Access Memory)

Programmes et données

Schéma d’un ordinateur

L’unité centrale

• ALU Arithmetic & Logical Unit, ou UAL

• opérations arithmétiques de base 
• décalages, opérations logiques 
• décodage fonction

• Registres adresses, données, état

• minimum : 1 registre adresses, 1 registre données

• Unité de commande

• exécution des instructions

Générations et Performances

• Première génération

• tubes à vide 1945-1955

• Deuxième génération

• transistors 1955-1965

• Troisième génération

• circuits intégrés 1965-1980

• Quatrième génération

• LSI, VLSI (Very) Large Scale Integration 1980...

Tubes à vide

• Ensemble placé sous vide

• Le filament chauffe la cathode qui émet des électrons (effet Edison)

• Les électrons vont vers la plaque si on porte celle-ci à un potentiel plus élevé que la cathode

• Des variations du potentiel de la grille influent sur ce flux d’électrons

L’ENIAC

• Electronic Numerical Integrator And Calculator, 1943-1945

• 18000 tubes

• calcul d’une trajectoire en deux jours

Transistor

• Décembre 1947

• Transistor au germanium

Transistors

Transistor MOS - Metal Oxyde Semiconductor

Transistor MOS

Transistor MOS canal n Schéma et montage

Transistor MOS - canal p Schéma et montage

MOS Complémentaires Schéma de base

Inverseur CMOS

Microprocesseurs - le 4004

• Intel 4004 - 1971

• Mots de 4 bits
• 46 instructions sur 8 bits
• 16 registres 4 bits ou 8 registres 8 bits
• 1 k de données, 4 k de programmes
• 2300 transistors
• cycle de 10.8 s
• ~ 0.001 mips ?

Microprocesseurs - le 8080

• Intel 8080 - 3/1/1974

• Mots de 8 bits
• bus adresses 16 bits, bus données 8 bits
• 7 registres 8 bits, A à E,H,L,  BC, DE, HL 16 bits
• 64 k octets adressables
• 6000 transistors
• 2 MHz
• ~ 0.02 mips ?

Microprocesseurs : Le Pentium© Pro

• Intel Pentium Pro 27/3/95

• bus interne 300 bits
• bus externe 64 bit
• mémoire : 4 Go
• mémoire virtuelle : 64 To
• processeur 5.5 M transistors
• cache intégré : 62 M transistors (pour 1Mo)
• 166, 180, 200 MHz

Intel : Pentium Pro

Evolution des microprocesseurs la gamme Intel

La mémoire

• Conservation de l’information

• Caractéristiques

• Situation, capacité, méthodes d’accès, performances
• Nature : magnétique, optique, semi-conducteurs
• Propriétés : volatile/non, effaçable/non, etc

• Organisation, hiérarchie

• CPU : registres, cache
• Mémoire centrale
• Mémoire secondaire : disque, CD, bande magnétique…

Types de mémoire “centrale”

• RAM, Random Access Memory

• Technologie :

• Tores de ferrite
• Semiconducteurs
• Circuits intégrés : RAM
• SRAM : Static RAM (bistable)
• DRAM : Dynamic RAM (cond.)
• Temps d’accès
• 120 à 20 ns.

Barettes Mémoire

• SIMM

• Single In-line Memory Module
• Carte enfichable (2cm  10cm)
• 8  N ou 9  N chips
• Capacité : 1Mo (1993) à 64 Mo (1997)
• 30, 72 pins
• Temps d’accès : 60 ns.

• DIMM

• Dual In–Line Memory Module

Le bus

• Ensemble de “fils” connectant des unités fonctionnelles au sein d’un ordinateur

• Bus interne CPU  cache [300 bits - Pentium pro]

• Bus interne à une machine [lignes dédiées]

• lignes adresses [16, 32, 48 bits]
• lignes données [8, 16, 32 ou 64 bits]
• lignes pour signaux de contrôle + logique

• Bus externe [lignes multiplexées]

• nappe + logique
• Arbitrage : centralisé/décentralisé ; Synchrone/non

Schéma de fonctionnement du bus

• Connexion entre le processeur et la mémoire

• exemple : lecture d’un mot de la mémoire

Terminologie des bus d’un PC

• Bus local : ISA et/ou PCI

• Industry Standard Architecture, adressage 16 bits (64 ko), 8 MHz
• Peripheral Component Interconnect (plus récent), 33 MHz
• Vitesses “carte mère” : 66, 75, 83, 100 (133, 200) MHz

• Bus externe

• IDE : Integrated Drive Electronics
• connexion carte mère  contrôleur disque
• SCSI : Small Computer System Interface
• 7/14 périphériques, 8/16 bits, 10 Mb/s.

Carte mère et Bus PC

• Format standard

• Classique (AT), ATX

• Supporte :

• processeur (ou carte fille Slot1)
• mémoire (RAM, cache, BIOS)
• SIMM, DIMM
• “chipset” (gestion logique bus)
• bus ISA et/ou PCI
• peut inclure un contrôleur SCSI
• cartes d’extention
• connecteurs divers périphériques, alimentation

Carte mère Pentium Pro