Fiche de révision : Architecture des ordinateurs

📋 Plan du Cours

1. Ordinateur et architecture informatique
2. Modèle de Von Neumann
3. CPU, mémoire et bus
4. Hiérarchie et capacité mémoire
5. Bits et systèmes de numération
6. Codage des caractères
7. Portes logiques et circuits
8. Simulation et validation des circuits
9. Synthèses et notions transversales
10. Évaluation et travaux pratiques

📖 1. Ordinateur et architecture informatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Ordinateur : Système électronique programmable qui acquiert, traite, stocke et restitue de l'information sous le contrôle d'un programme enregistré en mémoire.
• Architecture des ordinateurs : Étude de la structure interne et de l'interconnexion des composants physiques d'un ordinateur.

📝 Points essentiels

📌 L'ordinateur désigne l'unité centrale qui exécute les instructions, tandis que le système informatique comprend aussi les périphériques et les logiciels.

📌 L'architecture décrit l'organisation logique des composants et leurs interactions indépendamment de leur réalisation physique, tandis que l'organisation désigne leur réalisation matérielle.

• L'architecture répond à trois questions :
  • quelles fonctions définit l'ISA
  • comment les organiser dans la microarchitecture
  • comment les réaliser par les circuits

📖 2. Modèle de Von Neumann

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle de Von Neumann : Architecture à programme enregistré qui stocke données et instructions dans une même mémoire adressable reliée au CPU par des bus.

★ À maîtriser

• Le modèle de Von Neumann comprend :
  • l'UAL
  • l'unité de contrôle
  • la mémoire
  • les entrées/sorties

Compléments

• Le cours date le modèle de Von Neumann de 1945.

📌 Dans le scénario étudié, choisir Von Neumann permet de réduire le câblage de moitié et de simplifier le compilateur grâce à une mémoire unique pour le code et les données.

• Le risque associé au modèle de Von Neumann est que les données puissent écraser le code, contrairement au modèle Harvard.

💡 Astuce mémo

Von Neumann unifie les mémoires, Harvard les sépare.

📖 3. CPU, mémoire et bus

🔑 Notions clés & Définitions

• CPU : Unité centrale de traitement qui exécute le cycle Fetch-Decode-Execute à chaque coup d'horloge.
• Bus : Ensemble de fils conducteurs qui transporte des adresses, des données et des signaux de contrôle.
• Programme : Séquence ordonnée d'opérations que le processeur exécute pour résoudre une tâche.
• Horloge : Oscillateur périodique qui synchronise toutes les opérations et se mesure en GHz, soit en milliards de cycles par seconde.

📝 Points essentiels

• 🔄 Le cycle d'exécution du CPU suit ces étapes :

  1. Fetch
  2. Decode
  3. Execute

• L'UAL réalise les additions et les opérations logiques, tandis que l'unité de contrôle orchestre les transferts.

💡 Astuce mémo

Le CPU est le bureau, la mémoire ses tiroirs et le bus le couloir des échanges.

📖 4. Hiérarchie et capacité mémoire

🔑 Notions clés & Définitions

• Mémoire : Dispositif de stockage adressable qui conserve les programmes et les données.
• Registre : Mémoire interne au CPU, accessible en un cycle d'horloge et d'une capacité de 32 ou 64 bits.
• Latence : Temps entre la demande d'une donnée et son obtention.
• Largeur de bus : Nombre de bits transférés simultanément qui influe directement sur le débit.

★ À maîtriser

• La hiérarchie mémoire présentée comprend les registres et le cache en SRAM, la RAM principale en DRAM et le SSD pour le stockage persistant.

📌 La RAM est volatile et perd ses données sans alimentation, tandis que le SSD conserve les données sans alimentation.

• Les trois bus logiques transportent :

  • le bus d'adresses, l'adresse cible
  • le bus de données, la valeur
  • le bus de contrôle, les signaux READ/WRITE

• Un bus d'adresses de 32 bits adresse $2^{32}$ octets, soit 4 Go.

Compléments

• La latence indiquée pour un registre est de 0,3 ns.

📖 5. Bits et systèmes de numération

🔑 Notions clés & Définitions

• Bit : Chiffre binaire qui vaut 0 ou 1 et représente l'état physique d'un transistor ouvert ou fermé.
• Octet : Groupe de 8 bits qui code 256 valeurs et constitue l'unité adressable standard.
• Hexadécimal : Système en base 16 qui condense 4 bits en un symbole de 0 à F.
• Mot mémoire : Groupe d'octets traité ensemble par le CPU, typiquement 4 octets, soit 32 bits, en RV32I.
• Complément à deux : Le complément à deux représente les nombres signés selon la relation $-x = \text{NOT}(x) + 1$ et permet d'effectuer les additions avec un seul circuit d'addition.
• Nibble : Groupe de 4 bits correspondant exactement à un chiffre hexadécimal.
• Base : Nombre de symboles distincts d'un système de numération ; elle vaut 2 pour le binaire et 16 pour l'hexadécimal.

★ À maîtriser

• La conversion d'un nombre décimal en binaire s'effectue par divisions successives par 2, puis par lecture des restes à l'envers.

Compléments

• Le système binaire est en base 2 et utilise les puissances de 2.

• La conversion du binaire en hexadécimal s'effectue en regroupant les bits par groupes de 4 ; ainsi, 1010 1100₂ correspond à AC₁₆.

📖 6. Codage des caractères

🔑 Notions clés & Définitions

• ASCII : ASCII code 128 caractères latins sur 7 bits et son extension sur 8 bits code 256 caractères.
• Unicode : Standard universel qui couvre plus de 149 000 caractères de tous les systèmes d'écriture.

📝 Points essentiels

• UTF-8 encode les alphabets mondiaux sur une longueur variable de 1 à 4 octets et assure une compatibilité historique.

💡 Astuce mémo

ASCII code un ensemble limité de caractères ; UTF-8 encode les alphabets mondiaux avec une longueur variable.

📖 7. Portes logiques et circuits

🔑 Notions clés & Définitions

• Circuit combinatoire : Circuit sans mémoire qui calcule ses sorties instantanément en fonction des entrées présentes.
• UAL : L'UAL rassemble des additionneurs et des décodeurs pour effectuer des opérations arithmétiques et logiques.
• Transistor : Interrupteur électronique fondamental à partir duquel on réalise des portes logiques.
• Algèbre de Boole : Formalisation du comportement des circuits sous forme d'équations logiques binaires.
• MUX : Circuit qui sélectionne une entrée parmi plusieurs en fonction d'un signal de sélection.

★ À maîtriser

📌 Une porte ET ne produit 1 que si toutes ses entrées valent 1, une porte OU produit 1 dès qu'au moins une entrée vaut 1, et une porte NON inverse l'état de son entrée.

Compléments

• Le tableau de Karnaugh simplifie une expression en regroupant des valeurs 1 adjacentes par blocs de puissance de deux afin d'éliminer des variables redondantes.

• La minimisation réduit le nombre de portes physiques nécessaires et économise du silicium et de l'énergie.

💡 Astuce mémo

Transistor → portes logiques → UAL → CPU.

📖 8. Simulation et validation des circuits

🔑 Notions clés & Définitions

• Simulation : Reproduction par logiciel du comportement d'un circuit réel sans composant physique.
• Validation : Vérification du fonctionnement en comparant la sortie simulée à la sortie attendue afin de corriger les erreurs.

★ À maîtriser

• Dans la simulation de la porte ET à deux entrées, la sortie vaut 1 seulement pour 11 ; elle vaut 0 pour 00, 01 et 10.

Compléments

• L'addition sur 4 bits donne 0101₂ + 0011₂ = 1000₂, soit 5 + 3 = 8, avec une retenue sortante de 0.

• Dans Logisim, la fonction Tick permet de faire avancer les horloges du circuit, et non de mesurer le délai de propagation de l'UAL.

📖 9. Synthèses et notions transversales

★ À maîtriser

📌 Le bus d'adresses détermine la capacité de mémoire adressable, tandis que le bus de données détermine le débit.

Compléments

• Le cours présente l'ISA RISC-V RV32I comme une architecture de 32 bits comportant 47 instructions.

📌 Le binaire code de l'information, tandis que l'ISA définit le sens des instructions codées.

• Le cours présente RISC-V comme une ISA ouverte et sans licence, tandis que x86 est décrit comme propriétaire et fondé sur un jeu d'instructions complexe.

• 🔄 Le passage par couches d'abstraction suit cet ordre :

  1. portes logiques
  2. UAL
  3. CPU
  4. ordinateur

📌 La représentation des données doit être cohérente avec la capacité de traitement du matériel pour assurer la performance globale du système.

📖 10. Évaluation et travaux pratiques

📝 Points essentiels

• Le TP demande de construire dans Logisim une porte ET à deux entrées et une addition sur 4 bits avec Logisim-evolution 3.8.0 et JDK 17.

• L'évaluation continue comprend :

  • un TD de 15 minutes
  • un TP de simulation de 15 minutes
  • un devoir maison de 90 minutes
  • 25 minutes de participation aux questions-réponses

• Les critères d'évaluation du devoir sont la rigueur scientifique à 40 %, la clarté didactique à 30 %, le respect de la charte à trois couleurs à 10 % et l'originalité des analogies à 20 %.