Fiche de révision : Introduction à l’architecture des ordinateurs

📋 Plan du Cours

1. Rôle et intérêt de l’architecture
2. Évolution historique du calcul
3. Logique booléenne et bit
4. Modèle de Von Neumann
5. Transistor et circuits intégrés
6. Architectures modernes
7. Codage de l’information
8. Systèmes de numération
9. Entiers et complément à deux
10. Nombres flottants
11. Codage des caractères
12. Endianness et représentation mémoire
13. Fabrication et unité arithmétique
14. Opérateurs et circuits logiques
15. Demi-additionneur binaire
16. Limites et perspectives

📅 Repères chronologiques

1. 1642Blaise Pascal invente la Pascaline, une machine mécanique capable d’effectuer automatiquement des additions et des soustractions.
2. 1941La Z1 de Konrad Zuse devient un ordinateur électromécanique programmable utilisant des cartes perforées.
3. 1944Le Mark I est développé par Harvard et IBM comme ordinateur électromécanique d’environ 15 mètres de long.
4. 1945L’ENIAC devient le premier ordinateur électronique généraliste.
5. 1947John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley inventent le transistor dans les laboratoires Bell.
6. 1958Les circuits intégrés permettent de regrouper plusieurs transistors, résistances et condensateurs sur une seule pastille de silicium.
7. 1971Intel commercialise le 4004, premier microprocesseur commercial intégrant les fonctions d’un CPU sur une seule puce.
8. 1981IBM lance le Personal Computer, qui contribue à standardiser l’architecture des ordinateurs personnels et à démocratiser l’informatique.
9. 1984Apple lance le Macintosh avec une interface graphique destinée à rendre l’informatique plus intuitive et accessible au grand public.

📖 1. Rôle et intérêt de l’architecture

🔑 Notions clés & Définitions

• Architecture des ordinateurs : Décrit la structure fondamentale des machines, le rôle de leurs composants et les principes qui permettent leur fonctionnement.

📝 Points essentiels

• L’architecture permet d’identifier les composants d’un ordinateur, de comprendre leurs interactions, d’améliorer les performances et d’analyser les limites d’un système informatique.

📌 Le matériel regroupe les composants physiques comme le CPU, la RAM, le disque dur et la carte mère, tandis que le système d’exploitation gère les ressources et que les applications fournissent les services utilisés par l’utilisateur.

📖 2. Évolution historique du calcul

★ À maîtriser

• Au XIXe siècle, Charles Babbage conçoit la Machine analytique, qui préfigure l’ordinateur moderne avec une mémoire, une unité de calcul, un contrôle séquentiel et des dispositifs d’entrée-sortie.

• Ada Lovelace écrit les premiers programmes destinés à la Machine analytique de Babbage et comprend qu’une machine peut manipuler des symboles au-delà des seuls nombres.

Compléments

• La machine de Leibniz améliore la Pascaline en réalisant aussi des multiplications et des divisions au moyen d’un mécanisme mécanique.

💡 Astuce mémo

Pascaline → Leibniz → Babbage → Lovelace → ordinateurs électroniques

📖 3. Logique booléenne et bit

🔑 Notions clés & Définitions

• Bit : L’unité fondamentale de l’information numérique et ne peut prendre que deux valeurs, 0 ou 1.

★ À maîtriser

• En 1937, Claude Shannon montre que l’algèbre de Boole peut modéliser le fonctionnement des circuits électriques en associant vrai et faux aux états électriques des circuits.

Compléments

• Les relais électromagnétiques fonctionnent comme des interrupteurs commandés et permettent de construire des circuits réalisant des opérations logiques.

💡 Astuce mémo

Logique vrai/faux → circuits électriques → information binaire

📖 4. Modèle de Von Neumann

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle de Von Neumann : Une architecture dans laquelle les instructions et les données sont stockées dans une même mémoire centrale et traitées par une unité centrale.

📝 Points essentiels

• Les cinq composants essentiels sont:

  • l’unité de traitement
  • l’unité de contrôle
  • la mémoire
  • les dispositifs d’entrée
  • les dispositifs de sortie

• 🔄 Le cycle d’instruction comprend:

  1. la lecture de l’instruction en mémoire
  2. le décodage de l’instruction
  3. l’exécution de l’opération

📌 Le goulot d’étranglement de Von Neumann apparaît lorsque le CPU et la mémoire partagent un même bus, ce qui limite le débit des échanges entre instructions, données et processeur.

💡 Astuce mémo

Un CPU central relié par un bus à la mémoire et aux entrées-sorties

📖 5. Transistor et circuits intégrés

🔑 Notions clés & Définitions

• Transistor : Un interrupteur électronique commandé ou un amplificateur qui permet de contrôler un courant important à partir d’un petit signal.

📝 Points essentiels

• Les circuits intégrés réduisent les coûts, la consommation et la taille des appareils tout en augmentant leur fiabilité.

💡 Astuce mémo

Transistorisation → miniaturisation → circuits intégrés → microprocesseurs

📖 6. Architectures modernes

🔑 Notions clés & Définitions

• Architecture big.LITTLE : Associe des cœurs puissants pour les tâches lourdes à des cœurs économes pour les tâches légères afin de réduire la consommation tout en conservant les performances.

📝 Points essentiels

• Les architectures modernes incluent notamment x86 pour les ordinateurs et serveurs, ARM pour les appareils mobiles et Apple Silicon qui combine efficacité énergétique et performance.

💡 Astuce mémo

Cœurs big pour la performance, LITTLE pour l’efficacité énergétique

📖 7. Codage de l’information

🔑 Notions clés & Définitions

• Octet : Un groupe de 8 bits capable de représenter 256 valeurs différentes.

📝 Points essentiels

• Le caractère A est représenté en ASCII par le code binaire 01000001.

💡 Astuce mémo

Bit → octet → caractères et nombres → données traitables

📖 8. Systèmes de numération

★ À maîtriser

• Le système binaire utilise les chiffres 0 et 1, le système octal utilise les chiffres de 0 à 7 et le système hexadécimal utilise les chiffres de 0 à 9 et les lettres A à F.

📐 Formule — Avec 8 bits non signés, le nombre de valeurs représentables est $2^8 = 256$ et l’intervalle représentable va de 0 à 255.

Compléments

• Le nombre décimal 13 s’écrit 1101 en binaire et D en hexadécimal.

💡 Astuce mémo

Binaire base 2, octal base 8, hexadécimal base 16

📖 9. Entiers et complément à deux

🔑 Notions clés & Définitions

• Complément à deux : Représente les entiers signés en inversant tous les bits de la valeur absolue puis en ajoutant 1.

★ À maîtriser

📌 Un dépassement de capacité survient lorsqu’un résultat nécessite plus de bits que le format disponible, et le résultat stocké devient alors incorrect.

• Sur 8 bits en complément à deux, l’intervalle représentable est de -128 à +127, avec un bit de poids fort indiquant le signe.

📐 Formule — Une soustraction binaire peut être transformée en addition selon la relation $a-b=a+\operatorname{complément\ à\ deux}(b)$.

Compléments

• Pour représenter -5 sur 8 bits en complément à deux, on écrit 5 sous la forme 00000101, on inverse les bits pour obtenir 11111010, puis on ajoute 1 pour obtenir 11111011.

💡 Astuce mémo

Binaire → inversion des bits → ajout de 1

📖 10. Nombres flottants

★ À maîtriser

📐 Formule — Un nombre flottant est représenté sous la forme $\text{signe} \times \text{mantisse} \times 2^{\text{exposant}}$.

• Le format IEEE 754 double précision utilise 64 bits répartis en 1 bit de signe, 11 bits d’exposant et 52 bits de mantisse, offrant environ 15 à 17 chiffres décimaux de précision.

Compléments

• Le nombre décimal 9,75 s’écrit 1001,11 en binaire puis se normalise en $1{,}00111 \times 2^3$.

• Le nombre décimal 0,1 possède une représentation binaire périodique, ce qui explique qu’il soit généralement stocké comme une approximation en virgule flottante.

💡 Astuce mémo

Float : mémoire et vitesse ; double : précision et étendue

📖 11. Codage des caractères

🔑 Notions clés & Définitions

• ASCII : Un codage de caractères utilisant 7 bits pour représenter 128 caractères, dont les lettres, les chiffres, les signes et les caractères de contrôle.
• Unicode : Une norme attribuant un point de code unique aux caractères afin de permettre leur représentation dans différents systèmes d’écriture.

★ À maîtriser

• UTF-8 encode les caractères ASCII sur 1 octet et les autres caractères sur 2 à 4 octets selon leur point de code.

Compléments

• Le caractère A, dont le point de code est U+0041, est encodé en UTF-8 par l’octet hexadécimal 41.

• Le caractère è, dont le point de code est U+00E8, est encodé en UTF-8 par les octets hexadécimaux C3 A8.

💡 Astuce mémo

ASCII → Unicode → UTF-8

📖 12. Endianness et représentation mémoire

🔑 Notions clés & Définitions

• Endianness : L’ordre dans lequel les octets d’un mot de données sont rangés en mémoire.
• Padding : Consiste à ajouter des octets non significatifs afin d’aligner les données sur une taille ou une structure imposée.

★ À maîtriser

📌 En big-endian, l’octet de poids fort est placé à l’adresse la plus basse, tandis qu’en little-endian l’octet de poids faible est placé à l’adresse la plus basse.

Compléments

• La valeur hexadécimale 0x12345678 est stockée 12 34 56 78 en big-endian et 78 56 34 12 en little-endian.

💡 Astuce mémo

Big-endian place l’octet fort d’abord, little-endian l’octet faible

📖 13. Fabrication et unité arithmétique

🔑 Notions clés & Définitions

• UAL : Le circuit du processeur qui réalise les opérations arithmétiques et logiques.

★ À maîtriser

• 🔄 La fabrication d’une puce comprend: la préparation de la tranche de silicium, la photolithographie, la gravure et le dopage, la création des couches et des interconnexions

Compléments

• L’UAL réalise notamment:
  • l’addition
  • la soustraction
  • la multiplication
  • la division
  • les comparaisons
  • les opérations logiques bit à bit

📖 14. Opérateurs et circuits logiques

★ À maîtriser

📌 L’opérateur AND renvoie vrai seulement si toutes ses entrées sont vraies, tandis que l’opérateur OR renvoie vrai dès qu’au moins une entrée est vraie.

📌 L’opérateur NOT inverse une valeur logique, tandis que l’opérateur XOR renvoie vrai lorsque ses deux entrées sont différentes.

Compléments

• Les opérateurs booléens fondamentaux sont:
  • AND
  • OR
  • NOT
  • XOR

💡 Astuce mémo

AND exige tous les vrais, OR un seul vrai, XOR des valeurs différentes

📖 15. Demi-additionneur binaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Demi-additionneur : Un circuit logique qui additionne deux bits sans prendre en compte de retenue entrante.

📝 Points essentiels

• Le demi-additionneur produit deux sorties : une somme obtenue par XOR et une retenue obtenue par AND.

📖 16. Limites et perspectives

★ À maîtriser

• Depuis les années 2010, la miniaturisation des transistors rencontre des limites physiques liées notamment à la chaleur et aux effets quantiques.

Compléments

• Les architectures spécialisées comme les GPU, TPU et NPU sont conçues pour accélérer respectivement certains calculs graphiques, d’intelligence artificielle et de traitement neuronal.

• Les évolutions contemporaines comprennent:

  • l’intelligence artificielle
  • le cloud computing
  • les smartphones
  • le big data
  • l’informatique quantique

💡 Astuce mémo

Miniaturisation ralentie → nouvelles architectures et intégration spécialisée

📊 Tableaux de synthèse

Principaux systèmes de numération

Formats IEEE 754