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13 Architecture de l’ordinateur

Table des matières

  1. Historique de l’informatique
  2. Les différents types de mémoires
  3. Architecture de Von Neumann
  4. Langage assembleur
  5. Simulation CPU

1. Historique de l’informatique

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🎥 Video 1 : Histoire de l’informatique (Dailymotion)

🎥 Video 2 : Évolution des ordinateurs

1.1. Les machines à programmes externes

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  • Machines électromécaniques

L’allemand Konrad ZUSE achève le Z1 en 1938, un ordinateur mécanique utilisant le système binaire, puis le Z3 en 1941, premier ordinateur entièrement automatique lisant son programme sur une bande perforée. Le Z3 utilisait déjà le calcul en virgule flottante et réalisait 3 à 4 additions par seconde.

Réplique du Zuse Z3 au Deutsches Museum de Munich.

Peu après, aux États-Unis, Howard H. AIKEN construit l’ordinateur électromécanique MARK I (1944). Le MARK I pesait environ 5 tonnes et était composé de plus de 750 000 pièces.

Source : espace-turing.fr

Le Mark I lisait ses instructions sur des cartes perforées, exécutait l’instruction courante, puis lisait la suivante.

Source : Wikipédia

  • Machines électroniques

L’apparition des tubes à vide, bien plus rapides que les relais des machines électromécaniques, marque le début de l’électronique moderne.

Entre 1943 et 1945, les Britanniques Max NEWMAN et Tommy FLOWERS mettent en service COLOSSUS, utilisé pour déchiffrer le code Lorenz employé par les Allemands durant la Seconde Guerre mondiale.

Le célèbre ENIAC, développé par John MAUCHLY et John ECKERT, est achevé en novembre 1945 et utilisé pour des calculs balistiques grâce à 18 000 tubes à vide.

Source : Wikipédia

L’ENIAC est le premier ordinateur entièrement électronique et peut être reprogrammé pour résoudre divers problèmes de calcul.

1.2. Les machines à programmes enregistrés

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Basées sur les travaux de MAUCHLY, ECKERT et VON NEUMANN, ces machines sont les ancêtres des ordinateurs modernes. Dans ce type de machine, les données et les programmes sont stockés en mémoire.

Les premières machines de ce type apparaissent dès 1948 avec les ordinateurs britanniques BABY et EDSAC, suivis par leurs homologues américains EDVAC et UNIVAC.

Dès les années 1950, les premiers ordinateurs commerciaux apparaissent, dominés par les constructeurs IBM (International Business Machines), DEC (Digital Equipment Corporation) et BULL.

1.3. Du micro-ordinateur à la micro-informatique

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  • Miniaturisation et explosion du marché

  • Le transistor (1947) marque la fin des tubes à vide et devient un produit industriel fiable et peu coûteux dès les années 1950.

  • Le circuit intégré (1958) miniaturise davantage les composants électroniques.

  • Le microprocesseur (Intel 4004 en 1971) révolutionne l’informatique et ouvre la voie aux ordinateurs personnels.

💻 Premiers micro-ordinateurs :

  • ALTAIR 8800 (1975) : premier ordinateur grand public, sans clavier ni écran.

  • APPLE II (1977)

  • IBM PC (1981)

  • COMMODORE 64 (1982)

  • APPLE MACINTOSH (1984) : premier ordinateur personnel avec une souris et une interface graphique.

ALTAIR 8800

APLLE II

IBM PC

COMMODORE 64

APPLE MACINTOSH

  • Langages et système d’exploitation

💾 Les langages de programmation

  • 1951 : Premiers compilateurs créés par Grace HOPPER.

  • 1956 : FORTRAN (John BACKUS).

  • Années 1960-2000 : LISP, COBOL, BASIC (1964), C (1972), ADA (1983), C++ (1986), PYTHON (1991), JAVASCRIPT (1995).

💻 Les systèmes d’exploitation

  • 1960s : Chaque constructeur crée son propre OS (OS 360, MVS, UNIX (1970)).

  • 1984 : Richard STALLMAN lance le projet GNU et le mouvement du logiciel libre.

  • 1985 : MS-DOS (Microsoft) domine les micro-ordinateurs, suivi de Windows.

  • 1991 : GNU/Linux voit le jour grâce à Linus TORVALDS.

Actuellement, les principaux systèmes d’exploitation sont Windows, macOS et GNU/Linux.

=> CAPYTALE Le code vous sera donné par votre enseignant

Activité n°1

Répondre par Vrai ou faux

Certaines questions nécessitent une recherche Internet.

1️⃣ Blaise Pascal a mis au point le logiciel Turbo Pascal.

2️⃣ George Boole était un spécialiste de la logique binaire.

3️⃣ Alan Turing a travaillé sur l’intelligence artificielle.

4️⃣ Alan Turing a cassé le code Enigma.

5️⃣ L’ordinateur ENIAC était aussi petit qu’une boîte à chaussures.

6️⃣ John Von Neumann a conçu l’architecture de base des ordinateurs modernes.

7️⃣ L’invention du transistor a permis de miniaturiser les ordinateurs.

8️⃣ Le premier micro-ordinateur est américain.

9️⃣ Le processeur 8086 possède 1 000 000 de transistors.

🔟 Gary Kasparov est imbattable aux échecs.

1️⃣1️⃣ La loi de Moore est toujours valide en 2020.

Activité n°2

Cocher la ou les bonnes réponses.

Certaines questions nécessitent une recherche Internet.

1️⃣ Le premier algorithme connu remonte...

📌 XXe siècle / 📌 XIXe siècle / 📌 Ier siècle / 📌 Bien avant

2️⃣ Le mot "algorithme" vient du nom…

📌 Al-Khwârizmi / 📌 Grace Hopper / 📌 Steve Jobs / 📌 Ada Lovelace

3️⃣ Le premier compilateur a été conçu par…

📌 Al-Khwârizmi / 📌 Grace Hopper / 📌 Steve Jobs / 📌 Ada Lovelace

📌 Et bien d’autres questions à explorer !

2. Les différents types de mémoires

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2.1. Organisation de la mémoire

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Il existe de nombreuses technologies de mémoire, qui se distinguent selon plusieurs critères :

  • Durabilité : mémoire volatile (données perdues à l'arrêt du courant) ou permanente.

  • Mode d’accès : accès direct (adressage aléatoire) ou séquentiel.

  • Temps d’accès : plus une mémoire est rapide, plus elle est chère.

Les principales catégories de mémoire sont :

  • Mémoire morte (ROM – Read Only Memory) : mémoire non volatile, utilisée pour stocker des programmes essentiels comme le BIOS (Basic Input Output System). Elle est en lecture seule mais peut être mise à jour (flashage du BIOS).

  • Mémoire vive (RAM – Random Access Memory) : mémoire volatile, utilisée pour stocker temporairement les instructions et données des programmes en cours d'exécution.

  • Mémoire de stockage secondaire : disques durs (HDD, SSD), clés USB, CD-ROM...

2.2. Les registres

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Un registre est un emplacement mémoire interne au processeur. Il s’agit de la mémoire la plus rapide, mais également la plus coûteuse, car son espace est limité.

🔹 Rôle des registres :

  • Stocker des opérandes et résultats intermédiaires pendant le traitement des instructions.

  • Varier en capacité, nombre et fonctions selon les processeurs.

  • Être directement accessibles via le jeu d’instructions du processeur.

💡 La plupart des processeurs modernes ont des registres de 64 bits.

2.3. Mémoires centrales et mémoires caches

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Mémoire centrale (RAM)

La mémoire centrale stocke temporairement les programmes et leurs données pendant leur exécution. Elle est volatile, ce qui signifie que les informations sont perdues lorsque l’ordinateur s’éteint.

🔹 Organisation :

  • Constituée de cases mémoires repérées par une adresse unique.

  • Accès rapide et en temps constant.

  • Types : SDRAM, DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5.

Mémoire cache

Pour compenser la différence de vitesse entre le processeur et la mémoire centrale, on utilise une mémoire cache intégrée au processeur.

🔹 Caractéristiques :

  • Stocke les instructions et données les plus utilisées pour éviter de les rechercher en RAM.

  • Plus rapide que la RAM, mais plus petite et plus chère.

  • Types :

1 Cache L1 : la plus rapide, située directement dans le cœur du processeur.

2 Cache L2 : plus grande, mais légèrement plus lente.

3 Cache L3 : partagée entre plusieurs cœurs d’un processeur multi-cœur.

Activité n°3

Quelques interrogations

💡 Réfléchissez aux réponses aux questions suivantes :

1️⃣ Où sont stockés les programmes dans la mémoire ?

2️⃣ Comment l’ordinateur effectue-t-il une addition ?

3️⃣ D’où proviennent les données entrées via le clavier ?

4️⃣ Où vont les informations envoyées vers l’écran ?

3. Architecture de Von Neumann

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L’architecture de Von Neumann (1945) est un modèle d’ordinateur où les instructions et les données partagent la même mémoire. Ce modèle est toujours utilisé dans les ordinateurs modernes.

3.1. Organisation générale

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🔹 Les trois parties du CPU :

  • L’unité arithmétique et logique (UAL ou ALU) : effectue les calculs et les opérations logiques.

  • L’unité de contrôle : exécute les instructions en coordonnant les autres composants.

  • La mémoire : stocke instructions et données.

🔹 Le bus (système de communication interne)

Il permet aux composants de transporter des données et instructions.

Il existe trois types de bus :

1️⃣ Bus d’adresses : transporte les adresses mémoire.

2️⃣ Bus de données : transporte les données elles-mêmes.

3️⃣ Bus de contrôle : gère le type d’opération (lecture, écriture…).

🔹 Les périphériques d’entrée/sortie

Ils permettent à l’ordinateur de communiquer avec l’extérieur (clavier, écran, imprimante...).

💡 L’architecture Harvard est une alternative où les mémoires des programmes et des données sont séparées, permettant un traitement plus rapide.

Activité n°4 : Calcul de la mémoire disponible

1️⃣ Combien d’adresses mémoire différentes peut-on avoir avec un bus d’adresses de 16 bits ?

2️⃣ Si chaque case mémoire contient 1 octet, quelle est la capacité maximale de mémoire vive ?

3.2. Le CPU

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Le processeur (CPU – Central Processing Unit) est le cœur de l’ordinateur.

🔹 Caractéristiques :

  • Manipule des données binaires et des instructions.

  • Contient des millions de transistors miniaturisés.

  • Intégré dans un boîtier surmonté d’un ventilateur.

3.3. Le rôle de l’horloge CPU

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Le processeur est cadencé par une horloge interne, qui envoie des impulsions électriques synchronisant ses opérations.

📌 Caractéristiques du CPU :

  • Fréquence d’horloge (en MHz ou GHz).

  • Nombre d’instructions par seconde.

  • Taille des données traitées (en bits).

💡 Un CPU cadencé à 2 GHz exécute 2 milliards d’opérations par seconde.

Activité n°5

Sur les photos ci-dessous, identifier le processeur.

3.4. Les limites

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🔹 Le principal problème : le goulet d’étranglement

  • Le processeur est beaucoup plus rapide que la mémoire.

  • Le bus mémoire ne peut pas suivre la cadence.

  • Solution : utilisation de mémoires caches et multiprocesseurs.

3.5. Évolution : le multiprocesseur et les mémoires caches

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🔹 La loi de Moore (1965) :

  • 🏆 Le nombre de transistors double tous les 18 à 24 mois.

  • 🚀 Augmentation des performances et miniaturisation.

  • ❌ Depuis 2017, cette loi atteint ses limites physiques.

🔹 Solution moderne :

✅ Multiprocesseurs et multi-cœurs permettent un traitement parallèle des données.

✅ Mémoire cache plus performante pour compenser la lenteur de la RAM.

💡 Aujourd’hui, l’optimisation mémoire est devenue un enjeu majeur.

Activité n°6

Ci-contre, retrouver les interfaces RJ45, VGA, HDMI et USB.

4. Langage assembleur

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Le microprocesseur ne peut pas interpréter directement des instructions en langage naturel comme :

"Additionne le nombre 125 et la valeur située dans le registre R2, range le résultat dans le registre R1".

Ces instructions doivent être traduites en code binaire compréhensible par le processeur :

📋 Texte
11100010100000100001000001111101
Cependant, l'écriture en binaire étant complexe et peu lisible, on utilise des mnémoniques sous forme de langage assembleur, plus compréhensible pour les programmeurs :
📋 Texte
ADD R1, R2, #125

Ce code en assembleur signifie :

  • ADD : additionne

  • R1 : registre où stocker le résultat

  • R2 : registre contenant l'une des valeurs

  • #125 : valeur immédiate ajoutée à R2

4.1. Exemples d’instructions en assembleur

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Instruction Description
LDR R1, 78 Charge la valeur située à l'adresse mémoire 78 dans le registre R1.
STR R3, 125 Stocke la valeur contenue dans le registre R3 à l'adresse mémoire 125.
ADD R1, R0, #128 Additionne 128 avec la valeur du registre R0 et stocke le résultat dans R1.
ADD R0, R1, R2 Additionne les valeurs des registres R1 et R2, et stocke le résultat dans R0.
SUB R1, R0, #128 Soustrait 128 à la valeur du registre R0, et stocke le résultat dans R1.
MOV R1, #23 Stocke la valeur 23 dans le registre R1.
MOV R0, R3 Copie la valeur de R3 dans R0.
B 45 Change la séquence d'exécution en sautant à l’adresse 45.
CMP R0, #23 Compare la valeur de R0 avec 23.
CMP R0, #23 BEQ 78 Si R0 == 23, alors saute à l’adresse 78.
CMP R0, #23 BGT 78 Si R0 > 23, alors saute à l’adresse 78.
HALT Arrête l’exécution du programme.
Activité n°7

Expliquer les instructions suivantes

📌 Décrivez les instructions suivantes en langage naturel :

1️⃣ ADD R0, R1, #42

2️⃣ LDR R5, 98

3️⃣ CMP R4, #18

4️⃣ BGT 77

5️⃣ STR R0, 15

6️⃣ B 100

4.2. Applications

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Activité n°8

📌 Écrivez les instructions en assembleur correspondant aux phrases suivantes :

1️⃣ Additionne la valeur stockée dans R0 et celle stockée dans R1, stocke le résultat dans R5.

2️⃣ Charge la valeur située à l’adresse mémoire 878 dans le registre R0.

3️⃣ Stocke la valeur du registre R0 en mémoire à l’adresse 124.

4️⃣ Sauter directement à l’instruction stockée en mémoire 478.

5️⃣ Si R0 == 42, sauter à l’adresse 85.

Activité n°9:

📌 Comparer le programme suivant en Python et en Assembleur :

Python

🐍 Script Python
x = 4
y = 8
if x == 10:
    y = 9
else:
    x = x + 1
z = 6

Assembleur équivalent

📋 Texte
MOV R0, #4
STR R0, 30
MOV R0, #8
STR R0, 75
LDR R0, 30
CMP R0, #10
BNE else
MOV R0, #9
STR R0, 75
B endif
else:
LDR R0, 30
ADD R0, R0, #1
STR R0, 30
endif:
MOV R0, #6
STR R0, 23
HALT
📌 Questions :

1️⃣ À quoi sert la ligne B endif ?

2️⃣ Que représentent les adresses mémoires 23, 75 et 30 ?

5. Simulation CPU

⚓︎

Nous allons utiliser un simulateur CPU basé sur l’architecture Von Neumann.

5.1. Présentation du simulateur

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📌 Disponible en ligne : 🔗 Peter Higginson’s CPU Simulator

📷 Interface du simulateur

🔹 Zones principales du simulateur :

1️⃣ Mémoire vive (Main Memory) : Contient les instructions et les données.(à droite)

2️⃣ Microprocesseur (CPU) : Exécute les instructions. (au centre)

3️⃣ Éditeur d’assembleur (Assembly Language) : Permet d’écrire du code. (à gauche)

5.2. Configuration de la RAM

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Par défaut le contenu des différentes cellules de la mémoire est en base 10 (entier signé), mais d'autres options sont possibles : base 10 (entier non-signé, "unsigned"), base 16 ("hex"), base 2 ("binary"). On accède à ces options à l'aide du bouton "OPTIONS" situé en bas dans la partie gauche du simulateur.

Activité n°10

1️⃣ Utiliser le bouton "OPTIONS" pour afficher la mémoire en binaire.

2️⃣ Chaque cellule mémoire contient 32 bits.

3️⃣ Vérifier l’adresse mémoire utilisée (entre 000 et 199).

4️⃣ Remettre l’affichage en base 10. (bouton "OPTION"->"signed")

5.3. Le CPU

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Dans la partie centrale du simulateur, nous allons trouver en allant du haut vers le bas :

  • le bloc "registre" ("Registers") : nous avons 13 registres (R0 à R12) + 1 registre (PC) qui contient l'adresse mémoire de l'instruction en court d'exécution
  • le bloc "unité de commande" ("Control Unit") qui contient l'instruction machine en cours d'exécution (au format hexadécimal)
  • le bloc "unité arithmétique et logique" ("Arithmetic and Logic Unit")

5.4. Programmer en assembleur

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Activité n°11

1️⃣ Dans l'éditeur Assembly Language, saisissez :

📋 Texte
MOV R0, #42
STR R0, 150
HALT
2️⃣ Cliquez sur Submit.

3️⃣ Vérifiez que :

  • L’instruction MOV est à l’adresse 000.

  • L’instruction STR est à l’adresse 001.

  • L’instruction HALT est à l’adresse 002.

Activité n°12

Exécution pas à pas : 1️⃣ Exécutez le programme en cliquant sur RUN.
2️⃣ Observez l’animation du CPU.
3️⃣ Vérifiez que l’adresse mémoire 150 contient bien 42.
4️⃣ Modifier la vitesse avec << et >>.

📌 Remarque : Pour relancer la simulation, cliquez sur RESET.

Une fois la simulation terminée, on constate que la cellule mémoire d'adresse 150, contient bien le nombre 42 (en base 10) et que le registre R0 a bien stocké le nombre 42.

Activité n°13

💡 Modifier le programme précédent pour stocker 54 dans l’adresse mémoire 50 en utilisant R1.

✅ Testez la modification en exécutant le programme.

Activité n°14

💡 Tester le programme suivant :

📋 Texte
MOV R0, #4
STR R0, 30
MOV R0, #8
STR R0, 75
LDR R0, 30
CMP R0, #10
BNE else
MOV R0, #9
STR R0, 75
B endif
else:
LDR R0, 30
ADD R0, R0, #1
STR R0, 30
endif:
MOV R0, #6
STR R0, 23
HALT
✅ Analysez le comportement du programme.