Architecture matérielle des ordinateurs

Programme

Programme

Exprimer un algorithme dans un langage de programmation a pour but de le rendre exécutable par une machine dans un contexte donné. La découverte de l’architecture des machines et de leur système d’exploitation constitue une étape importante.
Les circuits électroniques sont au cœur de toutes les machines informatiques. Les réseaux permettent de transmettre l’information entre machines. Les systèmes d’exploitation gèrent et optimisent l’ensemble des fonctions de la machine, de l’exécution des programmes aux entrées-sorties et à la gestion d’énergie.
On étudie aussi le rôle des capteurs et actionneurs dans les entrées-sorties clavier, interfaces graphiques et tactiles, dispositifs de mesure physique, commandes de machines, etc.

Notions	Compétences	Remarques
Modèle d’architecture séquentielle (von Neumann)	Distinguer les rôles et les caractéristiques des différents constituants d’une machine.	La présentation se limite aux concepts généraux. On distingue les architectures monoprocesseur et les architectures multiprocesseur. Des activités débranchées sont proposées. Les circuits combinatoires réalisent des fonctions booléennes.

Histoire de l'architecture de von Neumann

Histoire

L'informatique revient donc à réaliser une suite d'instructions (combinaisons de portes logiques) sur un certain nombre de données binaires. Reste à déterminer comment organiser ces circuits logiques pour concevoir des ordinateurs... En 1945, le développement du projet EDVAC amène John von Neumann (mathématicien et physicien américano-hongrois 1903-1957) a imaginé l'utilisation d'une structure de stockage (mémoire) pour stocker à la fois les données et les instructions. Ce modèle repose sur l'idée d'un ordinateur composé de quatre composants principaux : l'unité de traitement central (CPU), la mémoire, l'unité de contrôle et les entrées/sorties. L'architecture de von Neumann a révolutionné le domaine de l'informatique en introduisant la notion de programme enregistré, où les instructions et les données sont stockées dans la même mémoire, ce qui permet une plus grande flexibilité et efficacité dans l'exécution des tâches. Ce modèle a jeté les bases de la conception des ordinateurs, a influencé de nombreuses autres architectures informatiques, mais reste le modèle central de l'informatique moderne.

Principe de l'architecture de von Neumann

Principe

Cliquez sur les différentes partie du schéma ci-dessous pour plus d'information.

Les flèches représentent les différentes lignes de communication reliant les composants entre eux, appelées bus.

Améliorations de l'architecture de von Neumann

Améliorations

Pérenniser la mémoire

Pérenniser la mémoire

La mémoire vive (RAM , pour Random Access Memory) de l'ordinateur a besoin d'être alimentée en permanence pour garder les données. À chaque extinction de l'ordinateur, elle est perdue : on la qualifie de mémoire volatile. Mais c'est dans la mémoire vive qu'est chargé le système d'exploitation de l'ordinateur (Windows, Linux, etc) et que sont stockées provisoirement les données dont il a besoin lors de l'exécution de programmes (navigateur Web, outils bureautiques, etc.). C'est en quelque sorte la mémoire à court-terme de l'ordinateur.

Pour résoudre le problème de non persistance de la RAM, on recourt à deux types de mémoires non volatiles :

• La mémoire morte est une mémoire qui ne peut être que lue (ROM Read Only Memory) : elle contient le micrologiciel (firmware) de l'ordinateur (BIOS ou UEFI) qui est le programme qui se charge à chaque allumage de l'ordinateur, avant même le lancement du système d'exploitation.
• La mémoire de masse. Pour stocker les données et les programmes, on ajoute un périphérique appelé mémoire de masse : un disque dur (HDD = Hard Disk Drive) et/ou une mémoire Flash (SSD = Solid State Drive). Cette mémoire est capable de stocker une grande quantité de données, mais à l'inconvénient d'être beaucoup moins rapide que la mémoire vive. C'est pour cela que lors du lancement d'un programme les données nécessaires à son exécution sont généralement transférées vers la RAM pour une exécution plus rapide.

Accélérer l'accès à la mémoire

Accélérer l'accès à la mémoire

Les performances des processeurs augmentant, l'accès à la RAM peut être un frein à l'exécution des tâches du processeur.

Pour remédier à ce goulot d'étranglement, les processeurs contiennent maintenant de la mémoire cache, une mémoire encore plus rapide que la RAM.

Dans un ordinateur, il y a donc plusieurs niveaux de mémoire, leur capacité (liée à leur coût) étant inversement proportionnelle à leur vitesse.

Mémoire	Temps d'accès	Débit	Capacité
Registre	1 ns		≈ Kio
Mémoire cache	2−3 ns		≈ Mio
RAM	5−60 ns	1−20 Gio/s	≈ Gio
Disque dur	3−20 ms	10−320 Mio/s	≈ Tio

Rappel sur les multiples et sous-multiples d'unités

Symbole	n	µ	m		k	M	G	T
Nom	nano	micro	milli	1	kilo	Méga	Giga	Téra
Valeur	\(10^{⁻9}\)	\(10^{⁻6}\)	\(10^{⁻3}\)	1	\(10^3\)	\(10^6\)	\(10^9\)	\(10^{12}\)

Multiplier les processeurs

Multiplier les processeurs

Pendant des années, pour augmenter les performances des ordinateurs, les constructeurs augmentaient la fréquence d'horloge des microprocesseurs : la fréquence d'horloge d'un microprocesseur est liée à sa capacité d'exécuter un nombre plus ou moins important d'instructions machines par seconde. Plus la fréquence d'horloge du CPU est élevée, plus ce CPU est capable d'exécuter un grand nombre d'instructions machines par seconde

A partir de 2006, la fréquence d'horloge a cessé d'augmenter du fait d'une contrainte physique : plus on augmente la fréquence d'horloge d'un CPU, plus ce dernier chauffe. Il est alors difficile de refroidir le CPU, les constructeurs de microprocesseurs (Intel, AMD, Apple..) ont donc arrêté la course à l'augmentation de la fréquence d'horloge, ils ont décidé d'adopter une nouvelle tactique : augmenter le nombre de coeurs présent sur un CPU.

Nombre de coeur d'un microprocesseur

Dans un microprocesseur, un coeur est principalement composé : d'une UAL, de registres (R0, R1...) et d'une unité de commande. Il est donc capable d'exécuter des programmes de façon autonome.

La miniaturisation des techniques de gravage des microprocesseurs, a permis à partir de 2006 de graver plusieurs coeurs sur une même puce. Aujourd'hui (en 2023), le dernier processeur d'intel i9-13900K est constitué de 24 coeurs ! Même les smartphones possèdent des microprocesseurs multicoeurs : le Snapdragon 845 est octacore (8 coeurs).

Attention

Augmenter le nombre de coeurs ne suffit pas, il faut que les applications soient développées pour pouvoir utiliser plusieurs coeurs en simultané (multi-threading) De plus, les différents coeurs du CPU doivent se "partager" l'accès à la mémoire vive : quand un coeur travaille sur une certaine zone de la RAM, cette même zone n'est pas accessible aux autres coeurs, ce qui, bien évidemment va brider les performances. Il en va de même pour l'utilisation de la mémoire cache.