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Architecture de base d’un ordinateur

Dans cette partie, nous décrivons rapidement l’architecture de base d’un ordinateur et les principes de son fonctionnement.
Un ordinateur est une machine de traitement de l’information. Il est capable d’ac-quérir de l’information, de la stocker, de la transformer en effectuant des traitements quelconques, puis de la restituer sous une autre forme. Le mot informatique vient de la contraction des mots information et automatique.
Nous appelons information tout ensemble de données. On distingue généralement différents types d’informations : textes, nombres, sons, images, etc., mais aussi les ins-tructions composant un programme. Comme on l’a vu dans la première partie, toute in-formation est manipulée sous formebinaire (ou numérique) par l’ordinateur.
Principes de fonctionnement
Les deux principaux constituants d’un ordinateur sont la mémoire principale et le processeur. La mémoire principale (MP en abrégé) permet de stocker de l’information (programmes et données), tandis que le processeur exécute pas à pas les instructions com-posant les programmes.
Notion de programme
Un programme est une suite d’instructions élémentaires, qui vont être exécutées dans l’ordre par le processeur. Ces instructions correspondent à des actions très simples, comme additionner deux nombres, lire ou écrire une case mémoire, etc. Chaque instruction est codifiée en mémoire sur quelques octets.
Le processeur est capable d’exécuter des programmes enlangage machine, c’est à dire composés d’instructions très élémentaires suivant un codage précis. Chaque type de processeur est capable d’exécuter un certain ensemble d’instructions, sonjeu d’instruc-tions.
Pour écrire un programme enlangage machine, il faut donc connaître les détails du fonctionnement du processeur qui va être utilisé.
Le processeur
Le processeur est un circuit éléctronique complexe qui exécute chaque instruction très rapidement, en quelques cycles d’horloges. Toute l’activité de l’ordinateur est cadencée par une horloge unique, de façon à ce que tous les circuits électroniques travaillent en-sembles. La fréquence de cette horloge s’exprime en MHz (millions de battements par seconde). Par exemple, un ordinateur “PC Pentium 133” possède un processeur de type Pentium et une horloge à 133 MHz.
Pour chaque instruction, le processeur effectue schématiquement les opérations sui-vantes :
1. lire en mémoire (MP) l’instruction à exécuter ;
2. effectuer le traitement correspondant ;
3. passer à l’instruction suivante.
Le processeur est divisé en deux parties (voir figure 1.1), l’unité de commande et l’unité de traitement :
– l’unité de commande est responsable de la lecture en mémoire et du décodage des instructions ;
– l’unité de traitement, aussi appeléeUnité Arithmétique et Logique(U.A.L.), exé-cute les instructions qui manipulent les données.
La mémoire principale (MP)
Structure de la MP
La mémoire est divisée en emplacements de taille fixe (par exemple 8 bits) utilisés pour stocker instructions et données.
En principe, la taille d’un emplacement mémoire pourrait être quelconque ; en fait, la plupart des ordinateurs en service aujourd’hui utilisent des emplacements mémoire d’un octet (byte en anglais, soit 8 bits, unité pratique pour coder un caractère par exemple).
Dans une mémoire de tailleN, on a N emplacements mémoires, numérotés de0 à
N 1. Chaque emplacement est repéré par son numéro, appeléadresse. L’adresse est le plus souvent écrite en hexadécimal.
La capacité (taille) de la mémoire est le nombre d’emplacements, exprimé en général en kilo-octets ou en méga-octets, voire davantage.
Opérations sur la mémoire
Seul le processeur peut modifier l’état de la mémoire .
Chaque emplacement mémoire conserve les informations que le processeur y écrit jusqu’à coupure de l’alimentation électrique, où tout le contenu est perdu (contrairement au contenu des mémoires externes comme les disquettes et disques durs).
Les seules opérations possibles sur la mémoire sont :
– écritured’un emplacement : le processeur donne une valeur et une adresse, et la mémoire range la valeur à l’emplacement indiqué par l’adresse ;
– lecture d’un emplacement : le processeur demande à la mémoire la valeur contenue à l’emplacement dont il indique l’adresse. Le contenu de l’emplacement lu reste inchangé.
Unité de transfert
Notons que les opérations de lecture et d’écriture portent en général sur plusieurs octets contigüs en mémoire : un mot mémoire. La taille d’un mot mémoire dépend du type de processeur ; elle est de
– 1 octet (8 bits) dans les processeurs 8 bits (par exemple Motorola 6502) ;
– 2 octets dans les processeurs 16 bits (par exemple Intel 8086) ;
– 4 octets dans les processeurs 32 bits (par ex. Intel 80486 ou Motorola 68030).
Le processeur central
Le processeur est parfois appelé CPU (de l’anglaisCentral Processing Unit) ou encore MPU (Micro-Processing Unit) pour les microprocesseurs.
Un microprocesseur n’est rien d’autre qu’un processeur dont tous les constituants sont réunis sur la même puce électronique (pastille de silicium), afin de réduire les coûts de fabrication et d’augmenter la vitesse de traitement. Les microordinateurs sont tous équipés de microprocesseurs.
L’architecture de base des processeurs équipant les gros ordinateurs est la même que celle des microprocesseurs.
Les registres et l’accumulateur
Le processeur utilise toujours des registres, qui sont des petites mémoires internes très rapides d’accès utilisées pour stocker temporairement une donnée, une instruction ou une adresse. Chaque registre stocke 8, 16 ou 32 bits.
Le nombre exact de registres dépend du type de processeur et varie typiquement entre une dizaine et une centaine.
Parmi les registres, le plus important est le registre accumulateur, qui est utilisé pour stocker les résultats des opérations arithmétiques et logiques. L’accumulateur intervient dans une proportion importante des instructions.
Par exemple, examinons ce qu’il se passe lorsque le processeur exécute une instruction comme “ Ajouter 5 au contenu de la case memoire d’adresse 180” :
1. Le processeur lit et décode l’instruction ;
2. le processeur demande à la mémoire la contenu de l’emplacement 180 ;
3. la valeur lue est rangée dans l’accumulateur ;
4. l’unité de traitement (UAL) ajoute 5 au contenu de l’accumulateur ;
5. le contenu de l’accumulateur est écris en mémoire à l’adresse 180.
C’est l’unité de commande (voir figure 1.1 page 18) qui déclenche chacune de ces actions dans l’ordre. L’addition proprement dite est effectuée par l’UAL.
Architecture d’un processeur à accumulateur
La figure 1.3 représente l’architecture interne simplifiée d’un MPU à accumulateur. On y distingue l’unité de commande, l’UAL, et ledécodeurd’instructions, qui, à partir du code de l’instruction lu en mémoire actionne la partie de l’unité de commande nécessaire.
Les informations circulent à l’intérieur du processeur sur deux bus internes, l’un pour les données, l’autre pour les instructions.
On distingue les registres suivants :
ACC : Accumulateur ;
RTUAL : Registre Tampon de l’UAL, stocke temporairement l’un des deux opérandes d’une instructions arithmétiques (la valeur 5 dans l’exemple donné plus haut) ;
Reg. d’état : stocke les indicateurs, que nous étudierons plus tard ;
RI : Registre Instruction, contient le code de l’instruction en cours d’exécution (lu en mémoire via le bus de données) ;
IP : Instruction Pointer ou Compteur de Programme, contient l’adresse de l’emplace-ment mémoire où se situe la prochaine instruction à exécuter ;
RTA : Registre Tampon d’Adresse, utilisé pour accéder à une donnée en mémoire.
Les signaux de commandes permettent au processeur de communiquer avec les autres circuits de l’ordinateur. On trouve en particulier le signal R/W (Read/Write), qui est utilisé pour indiquer à la mémoire principale si l’on effectue un accès en lecture ou en écriture.

1 Introduction à l’architecture 
1.1 Présentation du sujet
1.2 Représentation des données
2 Introduction au langage machine 
2.1 Caractéristiques du processeur étudié
2.2 Jeu d’instruction
2.3 Branchements
3 L’assembleur 80×86 
3.1 L’assembleur
3.2 Segmentation de la mémoire
3.3 Adressage indirect
3.3.1 Exemple : parcours d’un tableau
3.3.2 Spécification de la taille des données
3.4 La pile
3.4.1 Notion de pile
3.4.2 Instructions PUSH et POP
3.4.3 Registres SS et SP
3.4.4 Déclaration d’une pile
3.5 Procédures
4 Notions de compilation 
4.1 Langages informatiques
4.1.1 Interpréteurs et compilateurs
4.1.2 Principaux langages
4.2 Compilation du langage C sur PC
4.2.1 Traduction d’un programme simple
4.2.2 Fonctions C et procédures
4.3 Utilisation d’assembleur dans les programmes C sur PC
5 Le système d’exploitation 
5.1 Notions générales
5.2 Présentation du BIOS
5.3 Présentation du DOS
5.3.1 Description de quelques fonctions du DOS
5.4 Modification d’un vecteur d’interruption en langage C
5.4.1 Ecriture d’un traitant d’interruption en C
5.4.2 Installation d’un traitant
6 Les interruptions 
6.1 Présentation
6.2 Interruption matérielle sur PC
6.3 Exemple : gestion de l’heure sur PC
6.4 Entrées/Sorties par interruption
6.4.1 Un exemple
7 Les entrées/sorties 
7.1 Les bus du PC
7.2 Bus de périphériques
7.2.1 Bus SCSI
7.2.2 Bus PCMCIA
7.3 Les entrées/sorties sur PC
7.4 L’interface d’entrées/sorties séries asynchrones
8 Les périphériques 
8.1 Terminaux interactifs
8.2 Mémoires secondaires
8.2.1 L’enregistrement magnétique
8.2.2 Les disques durs
8.2.3 Lecteurs de CD-ROM
8.2.4 Autres supports optiques : WORM, magnéto-optiques
8.2.5 Bandes magnétiques
9 La mémoire 
9.1 Mémoire vive
9.2 Les Mémoires mortes
9.3 Mémoires caches
10 Architectures actuelles 
10.0.1 Microprocesseurs
10.0.2 Micro-ordinateurs
10.0.3 Stations de travail
10.0.4 Superordinateurs
Index

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