Fiche de révision : Architecture des ordinateurs et représentation

📋 Plan du Cours

1. Ordinateur et architecture matérielle
2. Modèle de Von Neumann
3. CPU et cycle d’exécution
4. Mémoire et hiérarchie
5. Bus et espace adressable
6. Bits et systèmes de numération
7. Codage des caractères
8. Portes et circuits logiques
9. Simulation de circuits
10. Résultats de la simulation Logisim
11. Simulation et validation des circuits
12. ISA RISC-V et codage du texte
13. Pipeline et quantification des données
14. Cohérence entre architecture et données

📖 1. Ordinateur et architecture matérielle

🔑 Notions clés & Définitions

• Ordinateur : Machine électronique programmable qui acquiert, traite, stocke et restitue de l’information sous le contrôle d’un programme enregistré en mémoire.
• Programme : Séquence ordonnée d’opérations que le processeur exécute pour résoudre une tâche.
• Architecture des ordinateurs : Discipline qui étudie la structure interne et l’interconnexion des composants physiques d’un ordinateur.
• ISA : Interface abstraite entre le logiciel et le matériel.

★ À maîtriser

📌 L’architecture décrit l’organisation logique des composants et leurs interactions indépendamment de leur réalisation physique, tandis que l’organisation matérielle porte sur les composants physiques et leur interconnexion.

Compléments

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

• L’architecture répond à trois questions : quelles fonctions définit l’ISA, comment les organise la microarchitecture et comment les réalisent les circuits.

📖 2. Modèle de Von Neumann

★ À maîtriser

• Le modèle de Von Neumann, présenté en 1945, est une architecture à programme stocké qui place les données et les instructions dans une même mémoire adressable reliée au CPU par des bus.

• Le modèle de Von Neumann distingue quatre sous-systèmes :

  • l’unité arithmétique et logique
  • l’unité de contrôle
  • la mémoire
  • les entrées-sorties

Compléments

📌 Von Neumann utilise une mémoire unique pour les données et les instructions, tandis que Harvard utilise des mémoires séparées.

• Dans la mise en situation du cours, le choix de Von Neumann est justifié par un câblage réduit de moitié, un seul bus mémoire et une plus grande simplicité de chargement logiciel, mais il comporte le risque que des données écrasent le code.

💡 Astuce mémo

Von Neumann réunit instructions et données ; Harvard les sépare.

📖 3. CPU et cycle d’exécution

🔑 Notions clés & Définitions

• CPU : Processeur central qui exécute les instructions selon le cycle Fetch-Decode-Execute à chaque coup d’horloge.
• Horloge : Oscillateur périodique cadencé en GHz, soit en milliards de cycles par seconde, qui synchronise les opérations.

★ À maîtriser

• 🔄 Le cycle d’exécution du CPU comprend les étapes suivantes :
  1. charger l’instruction (Fetch)
  2. décoder l’instruction (Decode)
  3. exécuter l’instruction (Execute)

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Fetch → Decode → Execute : charger, décoder, exécuter.

📖 4. Mémoire et hiérarchie

🔑 Notions clés & Définitions

• Mémoire : Dispositif de stockage adressable qui conserve les programmes et les données ; sa hiérarchie cherche à concilier vitesse et capacité.
• Registre : Case mémoire interne au CPU, de 32 ou 64 bits, accessible en un cycle d’horloge et dont la latence indiquée est de 0,3 ns.

📝 Points essentiels

📌 La SRAM, très rapide, sert aux registres et au cache, la DRAM constitue la RAM principale et le SSD assure le stockage persistant.

💡 Astuce mémo

Poche, bureau, armoire, entrepôt : registre, cache, RAM, SSD.

📖 5. Bus et espace adressable

🔑 Notions clés & Définitions

• Largeur de bus : Nombre de bits transférés simultanément, soit le nombre de fils parallèles, et elle influe directement sur le débit.

📝 Points essentiels

• Un système possède trois bus logiques :

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

• La largeur du bus d’adresses détermine l’espace adressable ; un bus de 32 bits adresse $2^{32}$ octets, soit 4 Go.

📖 6. 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.
• Mot mémoire : Groupe d’octets traité ensemble par le CPU ; en RV32I, il compte typiquement 4 octets, soit 32 bits.
• Complément à deux : Méthode de représentation signée où $-x = \operatorname{NOT}(x)+1$, permettant d’effectuer une addition unique pour les nombres positifs et négatifs.
• Nibble : Groupe de 4 bits correspondant exactement à un chiffre hexadécimal, aussi appelé demi-octet.

★ À maîtriser

• Un octet regroupe 8 bits, peut coder 256 valeurs et constitue l’unité adressable standard.

• La conversion d’un nombre décimal en binaire s’effectue par divisions successives par 2, puis par lecture des restes à l’envers ; ainsi, 13 vaut 1101 en base 2.

• Le système hexadécimal est en base 16 et représente quatre bits par un symbole de 0 à F, ce qui compacte l’écriture des adresses mémoire et des codes machine.

Compléments

• Le système binaire est en base 2 et utilise les puissances de 2 ; en complément à deux, le bit de poids fort indique le signe.

• La conversion du binaire en hexadécimal s’effectue en regroupant les bits par groupes de quatre ; ainsi, 1010 1100 en binaire vaut AC en hexadécimal.

📖 7. Codage des caractères

🔑 Notions clés & Définitions

• Unicode : Standard universel qui comprend plus de 149 000 caractères et couvre tous les systèmes d’écriture.

📝 Points essentiels

• Le code ASCII code 128 caractères latins sur 7 bits et, dans sa version étendue, 256 caractères sur 8 bits.

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

📖 8. Portes et circuits logiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Circuit combinatoire : Circuit sans mémoire dont les sorties dépendent instantanément des entrées présentes.
• Transistor : Interrupteur électronique qui constitue le composant physique fondamental utilisé pour réaliser des portes logiques.
• Porte logique : Circuit élémentaire qui exécute une fonction logique ET, OU ou NON selon une table de vérité.
• Algèbre de Boole : Système mathématique binaire qui formalise le comportement des circuits sous forme d’équations logiques.
• MUX : Circuit qui sélectionne une entrée parmi plusieurs selon un signal de sélection.

★ À maîtriser

📌 Une porte ET produit 1 uniquement lorsque toutes ses entrées sont actives, une porte OU produit 1 dès qu’au moins une entrée est active et une porte NON inverse l’état de son entrée.

Compléments

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

• L’UAL rassemble des additionneurs et des décodeurs, tandis qu’un MUX sélectionne l’opération demandée.

💡 Astuce mémo

ET exige toutes les entrées actives ; OU n’en exige qu’une.

📖 9. Simulation de circuits

🔑 Notions clés & Définitions

• Simulation : Reproduction par logiciel du comportement d’un circuit réel sans composant physique.

📝 Points essentiels

• Le TP demande de construire et de simuler dans Logisim-evolution une porte ET à deux entrées et une addition sur 4 bits, sur un ordinateur portable sans matériel physique.

📖 10. Résultats de la simulation Logisim

🔑 Notions clés & Définitions

• LED : Voyant simulé qui indique visuellement un état binaire 1 ou 0.

★ À maîtriser

• Dans une porte ET à deux entrées, la sortie vaut 1 uniquement pour les entrées 11 ; les entrées 00, 01 et 10 produisent 0.

• L’addition binaire 0101 (5) + 0011 (3) donne 1000 (8), avec une retenue sortante de 0.

Compléments

• Dans Logisim, la fonction Tick permet de faire avancer l’horloge simulée, et non de mesurer le délai de propagation de l’UAL.

📖 11. Simulation et validation des circuits

🔑 Notions clés & Définitions

• Validation : Procédure qui compare la sortie simulée à la sortie attendue afin de corriger les erreurs.

📝 Points essentiels

• La simulation permet de vérifier une table de vérité, de mesurer un délai de propagation et de visualiser instantanément l’état d’une LED.

💡 Astuce mémo

Comparer la sortie attendue à la sortie simulée permet de repérer et corriger les erreurs.

📖 12. ISA RISC-V et codage du texte

★ À maîtriser

• L’ISA RISC-V RV32I est présentée comme une architecture minimaliste comportant 47 instructions.

Compléments

• RISC-V est une architecture ouverte et libre, modulaire, avec les extensions M, F et V.

📌 ASCII utilise 7 bits pour le latin, tandis qu’UTF-8 code les caractères sur 1 à 4 octets pour une compatibilité mondiale.

📖 13. Pipeline et quantification des données

🔑 Notions clés & Définitions

• Quantification : Conversion de poids d’intelligence artificielle de 32 bits vers 8 bits afin d’économiser de l’énergie.

📝 Points essentiels

• 🔄 L’exécution d’une instruction suit cinq étages ordonnés :
  1. Fetch
  2. Decode
  3. Execute
  4. Memory
  5. Writeback

💡 Astuce mémo

Fetch → Decode → Execute → Memory → Writeback

📖 14. Cohérence entre architecture et données

★ À maîtriser

📌 La cohérence entre architecture et données désigne l’adéquation entre la représentation des données et la capacité de traitement du matériel.

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

Compléments

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

📌 Le binaire code l’information, tandis que l’ISA définit le sens de ce code pour le processeur.

💡 Astuce mémo

Architecture : capacité du matériel à traiter ; représentation : forme des données traitées.