09 - Architecture
Razik Ikhlef
Mise en situation
Quand vous lancez un programme Python, que se passe-t-il concrètement dans la machine ? Le code est stocké quelque part, des calculs sont effectués, des résultats sont affichés à l’écran. Pour comprendre ce cheminement, il faut connaître l’architecture interne d’un ordinateur, c’est-à-dire les composants qui le constituent et la façon dont ils communiquent entre eux.
Le modèle de Von Neumann
En 1945, le mathématicien John von Neumann publie un rapport décrivant l’architecture que devrait avoir tout calculateur universel. Cette architecture, connue sous le nom de modèle de Von Neumann, reste le fondement de la quasi-totalité des ordinateurs actuels.
L’idée centrale est que le programme et les données sont stockés ensemble dans la mémoire. Avant Von Neumann, les programmes étaient câblés physiquement (cartes perforées, tableaux de connexions). L’innovation décisive est de les enregistrer en mémoire sous forme de nombres, au même titre que les données. Cela permet de changer de programme sans modifier le matériel.
Le modèle de Von Neumann (suite)
Le modèle décompose l’ordinateur en quatre parties : l’unité arithmétique et logique, l’unité de commande, la mémoire et les entrées-sorties. Ces parties sont reliées par des bus (canaux de communication) :
Le modèle de Von Neumann (suite)
Schéma du modèle de Von Neumann (source : Interstices.info)
Les quatre composants
Le processeur (CPU) regroupe les deux premières parties :
- l’unité arithmétique et logique (UAL) effectue les calculs (additions, comparaisons, opérations logiques ET, OU, NON) ;
- l’unité de commande lit les instructions en mémoire, les décode et coordonne les autres composants pour les exécuter.
La mémoire stocke les instructions du programme et les données qu’il manipule. On distingue la mémoire vive (rapide, volatile) et la mémoire de masse (lente, persistante). Cette distinction est détaillée plus bas.
Les quatre composants (suite)
Les entrées-sorties permettent à l’ordinateur de communiquer avec l’extérieur : clavier, souris, écran, imprimante, réseau.
Les bus ne forment pas une cinquième partie : ils relient ces composants entre eux. Il en existe trois types : le bus de données (transporte les valeurs), le bus d’adresse (indique l’emplacement mémoire visé) et le bus de commande (transmet les ordres : lire, écrire, etc.).
Les quatre composants (suite)
Communication entre les composants par les trois types de bus
Évolutions du modèle
Le modèle original a évolué sur deux points :
- les entrées-sorties sont désormais gérées par des contrôleurs autonomes, ce qui permet au processeur de ne pas attendre la fin d’une opération d’écriture sur disque, par exemple ;
- les processeurs modernes contiennent plusieurs cœurs capables d’exécuter des instructions en parallèle, ce qui augmente la puissance sans augmenter la fréquence.
Évolutions du modèle (suite)
Le modèle de Von Neumann aujourd’hui (source : Interstices.info)
Le processeur
Le processeur (CPU, Central Processing Unit) est le composant qui exécute les instructions. C’est le « cerveau » de l’ordinateur.
Structure interne
Un processeur contient :
- des registres : petites mémoires ultrarapides (quelques dizaines) qui stockent temporairement les données en cours de traitement. Parmi les registres importants :
- le compteur ordinal (PC, Program Counter) contient l’adresse de la prochaine instruction à exécuter ;
- le registre d’instruction (IR) contient l’instruction en cours de décodage ;
- l’accumulateur stocke les résultats intermédiaires des calculs ;
- l’UAL qui effectue les opérations arithmétiques et logiques ;
- le séquenceur qui coordonne l’exécution des instructions au rythme d’une horloge.
Structure interne (suite)
Représentation simplifiée des éléments constituant le processeur
Le cycle fetch-decode-execute
Le processeur exécute chaque instruction en trois étapes qui se répètent indéfiniment tant que le programme tourne :
Étape 1 : Fetch (charger). Le processeur lit en mémoire l’instruction dont l’adresse est contenue dans le compteur ordinal (PC). Cette instruction est copiée dans le registre d’instruction (IR). Le compteur ordinal est incrémenté pour pointer vers l’instruction suivante.
Étape 2 : Decode (décoder). Le séquenceur analyse l’instruction contenue dans IR et détermine l’opération à effectuer et les données concernées.
Le cycle fetch-decode-execute (suite)
Étape 3 : Execute (exécuter). L’UAL exécute l’opération (calcul, comparaison, transfert de données). Le résultat est placé dans un registre ou écrit en mémoire.
Prenons un exemple concret. Supposons que la mémoire contient l’instruction « additionner le contenu de l’adresse 100 avec le contenu de l’adresse 104 et stocker le résultat à l’adresse 108 » :
Le cycle fetch-decode-execute (suite)
Cycle 1 :
Fetch → Le PC vaut 0. On lit l'instruction à l'adresse 0 → IR = "LOAD 100"
Decode → Il faut charger la valeur à l'adresse 100 dans l'accumulateur
Execute → Accumulateur ← contenu de l'adresse 100 (par exemple, 42)
Cycle 2 :
Fetch → Le PC vaut 1. On lit l'instruction à l'adresse 1 → IR = "ADD 104"
Decode → Il faut additionner la valeur à l'adresse 104 à l'accumulateur
Execute → Accumulateur ← 42 + contenu de l'adresse 104 (par exemple, 42 + 15 = 57)
Cycle 3 :
Fetch → Le PC vaut 2. On lit l'instruction à l'adresse 2 → IR = "STORE 108"
Decode → Il faut écrire l'accumulateur à l'adresse 108
Execute → Contenu de l'adresse 108 ← 57
Le cycle fetch-decode-execute (suite)
Ce cycle se répète un très grand nombre de fois par seconde. Un processeur cadencé à 3 GHz reçoit trois milliards d’impulsions d’horloge par seconde ; comme chaque instruction demande plusieurs impulsions, il exécute, dans ce modèle simplifié, de l’ordre d’un milliard d’instructions par seconde.
La fréquence d’horloge
Le processeur est cadencé par une horloge interne : un cristal de quartz qui émet des impulsions régulières. La fréquence mesure le nombre d’impulsions par seconde, exprimée en hertz. Un processeur à 3 GHz reçoit 3 milliards d’impulsions par seconde. À chaque impulsion, le processeur avance d’une étape dans le cycle fetch-decode-execute.
La fréquence d’horloge (suite)
Informations système montrant la fréquence du processeur et la quantité de RAM
Les catégories d’instructions
Les instructions que le processeur sait exécuter se regroupent en quatre familles :
| Catégorie | Exemples |
|---|---|
| Transfert de données | Charger une valeur depuis la mémoire, stocker un résultat |
| Arithmétique | Addition, soustraction, multiplication, division |
| Logique | ET, OU, NON, OU exclusif, comparaisons |
| Contrôle | Saut conditionnel (si… alors aller à…), appel de fonction |
La mémoire
La mémoire stocke les programmes et les données. Il existe plusieurs types de mémoire, qui se distinguent par leur vitesse, leur capacité et leur persistance.
La hiérarchie des mémoires
Plus une mémoire est rapide, plus elle est coûteuse et donc petite. Cela conduit à une organisation en couches :
| Type | Vitesse | Capacité typique | Volatile ? | Rôle |
|---|---|---|---|---|
| Registres | Ultrarapide (< 1 ns) | Quelques dizaines | Oui | Données en cours de calcul |
| Cache L1 | Très rapide (~1 ns) | 64 Ko | Oui | Instructions et données fréquentes |
| Cache L2 | Rapide (~5 ns) | 256 Ko à 1 Mo | Oui | Tampon entre L1 et RAM |
| Cache L3 | Rapide (~10 ns) | 4 à 32 Mo | Oui | Partagé entre les cœurs |
| RAM | Moyenne (~50 ns) | 8 à 32 Go | Oui | Programme en cours d’exécution |
| SSD | Lent (~100 µs) | 256 Go à 2 To | Non | Stockage permanent |
| Disque dur | Très lent (~10 ms) | 1 à 4 To | Non | Stockage de masse |
La hiérarchie des mémoires (suite)
Principe. Le processeur cherche d’abord la donnée dans le cache L1. Si elle n’y est pas, il la cherche en L2, puis en L3, puis en RAM. Plus on descend dans la hiérarchie, plus l’accès est lent mais plus la capacité est grande.
Mémoire vive (RAM)
La RAM (Random Access Memory) est la mémoire de travail de l’ordinateur. Elle stocke les programmes en cours d’exécution et leurs données. Elle est volatile : son contenu disparaît dès que l’ordinateur est éteint.
Mémoire vive (RAM) (suite)
Une barrette de RAM (à gauche) et des éléments de ROM (à droite)
Mémoire de masse
La mémoire de masse est persistante : elle conserve les données même sans alimentation électrique. Les principaux supports sont :
- le disque dur (HDD), qui utilise des plateaux magnétiques rotatifs. Les accès sont lents car le bras de lecture doit se déplacer physiquement ;
- le SSD (Solid State Drive), qui utilise de la mémoire flash (sans pièce mobile). Il est plus rapide, plus silencieux et plus résistant aux chocs qu’un disque dur.
Mémoire de masse (suite)
Circuit électronique d’un SSD
La carte mère
La carte mère est le circuit imprimé principal de l’ordinateur. Elle accueille le processeur (dans un socket), la RAM (dans des slots), et relie tous les composants entre eux par des bus. Elle intègre aussi un chipset qui coordonne les échanges de données, ainsi que des connecteurs pour les périphériques (USB, réseau, écran).
La carte mère (suite)
La carte mère contient enfin une petite mémoire qui conserve son contenu sans alimentation. Elle renferme le premier programme exécuté à la mise sous tension : le BIOS (Basic Input Output System), remplacé sur les ordinateurs récents par l’UEFI (Unified Extensible Firmware Interface). Ce programme vérifie et initialise le matériel, puis charge le système d’exploitation en mémoire vive.
La carte mère (suite)
Les composants d’un ordinateur
La loi de Moore
En 1965, Gordon Moore observe que le nombre de transistors sur une puce double chaque année ; en 1975, il ramène ce rythme à un doublement tous les deux ans. Cette observation empirique, connue sous le nom de loi de Moore, s’est vérifiée pendant plus de cinquante ans : le premier microprocesseur (Intel 4004, 1971) contenait 2 300 transistors ; un processeur actuel en contient plusieurs milliards.
La loi de Moore (suite)
Évolution du nombre de transistors par processeur (source : education.mrsec.wisc.edu)
La loi de Moore (suite)
Cette croissance exponentielle a permis de fabriquer des ordinateurs toujours plus puissants et moins coûteux. Cependant, la miniaturisation approche des limites physiques (taille des atomes, dissipation thermique), ce qui a conduit les fabricants à multiplier les cœurs plutôt qu’à augmenter la fréquence.
Résumé
| Concept | Ce qu’il faut retenir |
|---|---|
| Modèle de Von Neumann | UAL + unité de commande + mémoire + E/S, reliées par des bus ; programme enregistré en mémoire |
| Processeur (CPU) | Composé de l’UAL, de l’unité de commande, de registres |
| Cycle fetch-decode-execute | Charger l’instruction, la décoder, l’exécuter ; se répète indéfiniment |
| Compteur ordinal (PC) | Registre contenant l’adresse de la prochaine instruction |
Résumé (suite)
| Concept | Ce qu’il faut retenir |
|---|---|
| RAM | Mémoire rapide, volatile, pour les programmes en cours |
| Mémoire de masse | Stockage persistant (SSD, disque dur) |
| Mémoire cache (L1, L2, L3) | Mémoire rapide intégrée au processeur, accélère les accès |
| Bus | Canaux de données, d’adresse et de commande reliant les composants |
| Loi de Moore | Le nombre de transistors double environ tous les deux ans |
Activité
Faire l’activité suivante : https://quizlet.com/fr/413749500/quels-sont-les-composants-de-mon-ordinateur-flash-cards/
Utiliser le mode cartes (https://quizlet.com/413749500/flashcards ) : les modes « apprendre », « écrire » et « test » demandent désormais un compte Quizlet et sont limités sans abonnement.