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support_architecture_des_ordinateurs

1. Support de cours Module : Architecture des Ordinateurs 1 – Formation : Ingénieur Informatique  2022/2023


CHAPITRE I : Introduction aux systèmes informatiques

1. Introduction générale
1.1 L’informatique
Le mot « informatique » vient de la contraction des mots « information » et « automatique ».
C’est la science qui concerne le traitement et le stockage automatique de l’information. Le terme
information désigne tout ensemble de données (textes, nombres, images, audio, vidéo,…). Toute
information est manipulée sous forme binaire (‘0’ et ‘1’).

2.2. L’ordinateur (Computer en anglais)
Un ordinateur (ou calculateur) est une machine capable de stocker et de traiter l’information d’une
manière purement automatique. Il est capable de résoudre des problèmes en appliquant des instructions
(actions et opérations) préalablement définies.

3.3. L’architecture
On appelle architecture d’une machine informatique, l’apparence fonctionnelle présentée à l’utilisateur
[Amdahl 1964]. Il s’agit d’une description de ce qui se passe du point de vue de l’utilisateur (le
programmeur).
L’architecture peut être vue comme l’apparence du système.

2. Notion de système informatique
2.1. Description de l’ordinateur
L’ordinateur est composé de deux parties :
- La partie matérielle (Hardware en anglais) : c’est l’ensemble d’équipements électroniques et
électriques de l’ordinateur, c’est la partie visible à l’utilisateur. Cette partie est appelée aussi la
machine réelle.
- La partie logicielle (Software en anglais) : C’est l’ensemble des programmes (suites
d’instructions) qui tournent (s’exécutent) sur la machine physique. Cette partie est appelée aussi
la machine virtuelle (imaginaire).
- Programme : ensemble d’instructions indiquant à un ordinateur ce qu'il doit faire.
On distingue 3 types de logiciels :
 Les logiciels de base (système d’exploitation): C’est l’ensemble des programmes qui
gèrent la partie matériel de l’ordinateur. Exemple : Dos, Windows 7, UNIX,… Sa
présence est indispensable pour le fonctionnement de l’ordinateur. Ces logiciels sont
utilisés pour augmenter la distance d’abstraction entre l’utilisateur et la partie matérielle,
en vue de cacher les détailles et ne présenter à l’utilisateur qu’une machine virtuelle avec
un langage clair et simple à comprendre.
 Les logiciels de service (logiciels système) : Ces programmes ne sont pas nécessaires
pour le fonctionnement et l’exploitation de la machine mais ils offrent des services aux
utilisateurs et aux programmeurs pour une meilleure exploitation de la machine.
Exemple : les éditeurs de texte, les compilateurs,…
 Les logiciels d’application : Cette classe regroupe l’ensemble des programmes qui
tournent sur la machine sous le contrôle du système d’exploitation tel que :
 les logiciels de traitement de texte : Word, Kword, LaTex….
 les logiciels de traitement et de synthèse d’images (PhotoExpress,…).
 les logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO: AUTOCAD,…).
 Les jeux vidéo.
 Les logiciels de gestion.
 Les logiciels de : calcul, statistiques, simulation, mathématiques,….
 ……

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2.2. Le rôle de la partie logicielle
L’humain pense à un grand niveau d’abstraction. Pour utiliser un ordinateur, il est obligé de transformer
ses concepts (idées) pour qu’ils soient opérationnels sur cet ordinateur (algorithme et programme). La
distance entre un problème et un ordinateur est illustrée sur le schéma suivant :














Distance entre un problème (a) les anciens ordinateurs (b) les nouveaux ordinateurs

Conceptuellement, si on représente les fonctions d’un système informatique sous forme de couches, on
pourrait les décrire comme suite :














Modèle mono-utilisateur modèle multi-utilisateur



Modèle multi-utilisateur

2.5. Mécanismes de passage entre niveaux
2.5.1. La compilation
Durant la phase de compilation d’un programme source P
high (écrit en langage de haut niveau L high)
vers un programme écrit en langage de bas niveau L
low (compréhensible et exécutable par la machine),
chaque expression du programme P
high est remplacé par une série d’instructions du langage L low de telle
manière qu’elles gardent la même sémantique (sens d’exécution) des expressions originales de P
high.
Ce processus de traduction est établit par un programme spécial appelé « Compilateur »
(habituellement écrit en langage L
low), qui accepte le programme original P high comme entrée et génère
un programme exécutable P
low en sortie.
Problème à résoudre
Hardware
Problème à résoudre

Software


Hardware
Logiciel d’application
(Logiciel de service)

Système d’exploitation

Machine physique
Utilisateur

Système d’exploitation

Machine physique
App 1 App 2
App n
User 1 User 2 User n

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Après la phase de compilation, le programme est P low chargé en mémoire de la machine pour être
exécuté. Durant cette exécution le programme source P
high n’est plus indispensable, et peut être
supprimé à tout moment. Néanmoins il est conseillé de grader P
high pour des éventuelles modifications.
Le développement des compilateurs est une tâche très complexe.




P
high ( Lhigh) P low ( Llow )






2.5.2. L’interprétation
Quand le programme P
high est écrit en langage L high, il est interprété au niveau L low, un programme
spécial appelé « Interpréteur » est requis. La tâche d’interprétation d’une instruction de P
high, doit
analyser et provoquer l’exécution d’une série d’instructions de niveau L
low de même sémantique. Ce
processus continu pour le reste d’instructions de P
high jusqu’à la dernière instruction (la fin de
programme).
L’avantage de ce mécanisme de passage est que l’interpréteur est relativement petit, ce qui facilite la
création d’une nouvelle machine virtuelle à lieu d’un compilateur.

L
high


P
high ( Lhigh)

































Exécution










Exécution
Pgm_source
Compilateur

Hardware
Pgm
machine
Pgm_machine

Hardware




Llow





Exécution
Pgm_source
Interpréteur

Hardware

Instructions
machine

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II. Architecture de Von Newman

1. Historique
L’homme a commencé par utiliser les dois de leurs mains pour compter. Très vites il s’est aperçu que ce
système était très insuffisant vue au nombre de choses qu’il a besoin de compter ou de calculer. Donc le
besoin de calcul augmente avec le développement économique et social de premières sociétés (Egypte,
Romain, Grec,…).
Les activités surtout celles de commerce avait poussé ses premières civilisations à développer les
premiers outils de calcul.
Le développement de ces machines à calculer a était automatiquement imposé par les capacités limitées
de ces machines de point de vue nombre d’opérations et le temps réservé à chacune de ces opérations.
Exemple (machines mécaniques) :
 Les machines à calculer numériques.
 La machine à calculer de Balaise-Pascal (1623-1662).
 Machine de Lieibeinz.
Ensuite les machines à calculer automatiques.

1.1. Les calculateurs à lampes (tubes) à vide « ordinateurs de la 1
ère
génération »
La première machine (ordinateur) est construit en 1945 à la base des tubes à vide, après plusieurs études
et tentatives (1941 : ABC : Atanasoff Berry Computer). Cette machine est appelée :
ENIAC = Electric Numérical Integrator And Compuler. Il était conçu à la base de 18 milles tubes à vide
et consomme trop d’électricité. Pour son installation, il fallait qu’il dispose de très vastes salles, de plus
il présente plusieurs défauts de point de vue programmation.

1.2. Les ordinateurs à transistors : « ordinateurs de la deuxième génération »
En 1948 en a peut minimiser le volume de ce dernier grâce au développement remarquable de
l’électronique :
- Naissance des composants électroniques : Transistor a éliminé l’utilisation des tubes à vide,
donc :
 Moins de consommation d’énergie électrique (transistor ne fonctionne pas par effet de
Joule).
 Moins d’espace occupé.
 La rapidité.
Vers les années 40, une personne appelé Von Newman a introduit une nouvelle approche qui permette
d’utiliser la notion de mémoire pour s’approcher de plus en plus de la forme moderne de l’ordinateur et
donner un autre avantage en faveur de la notion de temps (programme).

1.3. Les ordinateurs à circuits intégrés : « ordinateurs de la troisième génération »
En 1960, c’est la naissance du premier ordinateur.
Avantage :
- le temps.
- La taille de l’ordinateur.
La notion de miniaturisation et d’intégration qui a vu le jour :
- SSI (Small Scale Integration) « quelques dizaines T/CI »
- MSI (Medium Sacle Integration) « Centaines de T/SI »
- LSI (Large Scale Integration) « 1000 T/CI »
- VLSI (Very Lage Scale Integration) « 1.000.000 T/CI »
Exemple : IBM360 (MSI), IBM370 (LSI).

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1.4. les microprocesseurs : « ordinateurs de la quatrième génération »
Après 1970 (VLSI) c’est le lancement de la microinformatique et la naissance des premiers
microprocesseurs qui gèrent toujours le monde de l’informatique.
- premier microprocesseur Intel 4004 en 1971 avec 2250 T.
- Intel 8008 (processeur 8 bits).
- Intel 8086 (16 bits).
- Intel 80286, 80386
- Intel 80486 (32 bits).
- Pentium I, II, III, 4

2. Architecture de l’ordinateur
2.1. Modèle de Von Neumann
Le modèle sur lequel sont basés les ordinateurs actuels est dû aux travaux de recherche de John Von
Newman, publiés en 1946. Depuis ce temps, l’architecture des ordinateurs est restée pratiquement
inchangée.
Le trait essentiel de la machine de Von Newman est la procéduralité. Ceci est dû au fait que tout
problème doit être décrit à l‘ordinateur comme une séquence d’opérations (programme).

Un ordinateur, suivant le modèle de Von Neumann, consiste en une mémoire et un processeur. La
mémoire contient les données et les programmes. Le processeur a pour rôle d’extraire une à une les
instructions du programmes de la mémoire, de les interpréter et de les exécuter une à une jusqu’à ce que
le problème soit résolu. Les données sont transformées durant l’exécution du programme selon une
succession d’états, le dernier étant le résultat.


Bus



Modèle de Von Neumann

2.2. Organisation logique d’une machine de Von Newman.
La partie matérielle de l’ordinateur comporte deux unités principales en plus des éléments de liaison :
- L’unité centrale (l’ordinateur proprement dit).
- Les unités d’entrée/sortie (l’ensemble des périphériques d’E/S et de stockage).
Les unités d’interconnexion (Bus entre les différentes unités de l’ordinateur)










Bus





Mémoire

Processeur
Unité Centrale
Unité Centrale de Traitement
(CPU)
« Processeur »
La Mémoire
Centrale
(MC)

Unités
d’E/S
Unités de
Stockage

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2.2.1. L’unité centrale
C’est le véritable ordinateur, elle se compose de deux unités :

2.2.1.1. La mémoire centrale (MC ou MP : mémoire principale).
La mémoire est un dispositif capable de stocker puis de restituer l’information (données, programmes).
Elle est divisée en emplacements (cases) de taille fixe. Il existe deux types de mémoire :
- Les mémoires vives (RAM : Random Access Memory) : la mémoire vive est utilisable pour
écrire ou lire des informations. Elle constitue la plus grande partie de la mémoire centrale. Cette
mémoire est volatile, car elle conserve l’information tant qu’elle est alimentée en courant (elle
sert a conservé les informations en cours de traitement).
- Les mémoires mortes (ROM : Read Only Memory) : la mémoire morte n’est accessibles
qu’en lecture. son contenu est souvent définit au moment de la fabrication. Permet seulement de
stocker des informations qui ne changent pratiquement jamais.

 Le Bit (Binary digit) : représente l’unité d’information élémentaire (chiffre binaire). Un bit
peut être 0 ou 1. C’est la plus petite unité d’information envisageable.
- L’information numérique est stockée en distinguant deux valeurs (ou deux états) d’un
phénomène physique (tension électrique ou état d’un interrupteur ou tore magnétique).
- Un ensemble de 8 bits est appelé Octet (byte). « 1 octet = 8 bits).

 Les adresses mémoire
Une mémoire est formée d’un certain nombre de mots (cases) : c’est une matrice de bits.
- Un mot mémoire (word) est un ensemble de bits (multiple de 8 : 1 octet, 2 octet,…).
- Chacun de ces mots a un numéro que nous appelons son adresse pour être référencé.
- Si une mémoire a n mots, les adresses iront de 0 à (n-1).
- Toutes les cases mémoire contiennent le même nombre de bits.
- Chaque mot a une adresse unique.
0 1 0 1 0 0 1 0 1
1 1 0 0 0 1 1 0 1
2 1 1 1 1 1 1 0 0
3 1 0 1 1 1 0 0 0
4 0 0 0 0 0 0 0 0
5 1 0 0 1 0 1 0 1
6 1 0 0 0 0 0 0 1
7 1 1 1 1 1 1 0 0
8 1 1 1 0 0 0 0 0
9 1 0 0 1 1 0 0 1
10 0 0 0 0 0 0 0 0
Adresse -------------------------------------------
Mots mémoire de 8 bits
Exemple de mémoire de 11 Octets avec des adresses 0…10

 caractéristiques de la mémoire
La taille de mémoire (capacité) : Quantité d’informations qui peuvent être stockées en mémoire.
C’est le nombre de mots de la mémoire.
- Unité de mesure : mot mémoire.
- Les multiples de cette unité sont les plus utilisés
Kilo : 1 K mot = 2
10
mot = 1024 mot
Méga : 1 M mot = 2
10
K mot = 2
20
mot = 1048576 mot
Giga : 1 G mot = 2
10
M mot = 2
20
K mot = 2
30
mot
Téra : 1 T mot = 2
10
G mot = 2
20
M mot = 2
30
K mot = 2
40
mot.
Taille

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La taille de mot mémoire : Le nombre de bits dans chaque mot mémoire (en bit ou en octet).

 Opérations sur la mémoire (accès à la mémoire)
Accès par lecture : cette opération consiste à extraire le contenu d’un mot mémoire ou effectuer le
transfert du contenu d’un mot de la mémoire vers l’extérieur (registre/bus).
Accès par écriture : C’est le transfert du contenu d’un registre ou bus vers un mot de la mémoire.

1 0 1 0 0 1 0 1 0
1 0 0 0 1 1 0 1 1
1 1 1 1 1 1 0 0 2
1 0 1 1 1 0 0 0 3
0 0 0 1 1 0 0 0 4
1 0 0 1 0 1 0 1 5
1 0 0 0 0 0 0 1 6
1 1 1 1 1 1 0 0 7
1 1 1 0 0 0 0 0 8
1 0 0 1 1 0 0 1 9
0 0 0 0 0 0 0 0 10
Mémoire
1 0 0 0 1 1 0 1
Registre Registre
0 0 0 1 1 0 0 0

Remarque :
- Le transfert du contenu dans le cadre d’une opération de lecture ne s’agit pas de vider le mot
mémoire, mais seulement d’extraire une copie (un exemplaire) de ce dernier.
- L’opération de lecture n’est pas une opération destructive.
- L’opération d’écriture provoque l’écrasement et la perte de l’information.

 Fonctionnement général d’une mémoire



Lignes d’adresse lignes de données
(Entrée) (Entrée et sortie)







CS RD WR : commande lecture / écriture
Validation mémoire

- Lignes d’adresse : transport d’adresse vers mémoire qui donne l’accès au mot mémoire pour
une opération R ou W.
- Commande Read/Write : Choix d’une opération de lecture ou d’écriture.



Mémoire
Read
Write

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- Ligne de données : Acheminement de la donnée à mémoriser durant une opération d’écriture ou
contenir la donnée extraite de la mémoire durant une opération de lecture.
- Validation mémoire (Chip Select) : validation ou invalidation la mémoire.

La mémoire travail avec deux registres (dans le processeur) :
- Registre Adresse Mémoire (RA) : Registre adresse (MAR : Memory Access Register).
- Registre Donnée Mémoire (RM) : Registre mot (MDR ou MBR : Memory Buffer Register).

Le registre MDR : Registre information mémoire qui est utilisé comme récepteur et conservateur
d’information (du contenu du mot dans les deux opérations RD/WR), il est lié aux lignes de données de
la mémoire.
Lecture RDM  contenu du mot mémoire sélectionné.
Ecriture RDM  le mot mémoire sélectionné.
Le registre MAR : Registre adresse mémoire qui contient une adresse d’un mot mémoire, il sert à
introduire les adresses à la mémoire avant les opérations R/W. Il est lié aux lignes d’entée d’adresse de
la mémoire centrale.
@  MAR.

Dans le cas d’une opération de lecture mémoire:

+ Adresse mot (concerné)  MAR
+ Read CPU (pgm) R

 Contenu mot (concerné)  MDR Mémoire W



Dans le cas d’une opération d’écriture mémoire :

+ Information à écrire (taille = 1 mot)  MDR Bus
+ @ mot (concerné)  MAR CPU (pgm)
Données
+ Write

 Mot mémoire (concerné)  information Mémoire

 Autres caractéristiques de la mémoire
Temps de réponse : Temps écoulé entre la commande de R/W et la disponibilité de l’information dans :
- Le RIM, dans le cas d’opération de lecture.
- Un mot mémoire, dans le cas d’opération d’écriture.
Exemple :
- Les mémoires dynamiques (DRAM) : temps d’accès 70 nS.
- Les mémoires statiques (SRAM) : temps d’accès 12 nS.












MC
M
A
R
Adresse
MDR

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2.2.1.2. L’unité centrale de traitement (le processeur) ou CPU (Central Processing Unit)
Le processeur est un circuit électronique très complexe qui exécute chaque instruction très rapidement,
en quelques cycles d’horloge. C’est un interprète d’instructions. Le processeur est composé de trois
unités interconnectées par un bus interne:
- Unité de contrôle : c’est l’unité de commande (UC).
- Unité opérative : c’est l’unité arithmétique et logique (UAL).
- Unité de mémorisation : constituée d’un ensemble de registres (ACC, CO, RI, MAR, MDR,
PSW,…) qui travaillent avec les deux autres unités.

 L’unité arithmétique et logique (UAL) : c’est un circuit qui exécute les opérations
arithmétiques (+, -, *, /) et logiques (AND, OR, NAND, NOR, XOR, NOT,….) sous le contrôle
de l’unité de commande.
Opérande 1 Opérande 2
(Reg1) (Reg2)




+ And
- Or
* Not
/




Résultat (Reg3)
Exemple1 (avec trois registres):
Pour effectuer l’opération A+B ;
- Reg1  A
- Reg2  B UC (pgm)
- Addition
- Reg3  Résultat UAL

Registre tampon (Bus)











Exemple2 (avec un seul Registre : Accumulateur):
Pour effectuer la même opération : A+B :
- Charger A (ACC  A)
- Add B (ACC  ACC +B) UC (pgm)
- ACC  Résultat UAL
UAL
UAL
ACC
PSW
PSW

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Les registres associés à l’UAL sont :

a. Registre Accumulateur (Acc): c’est le registre le plus important pour l’UAL, dans la plupart
des opérations arithmétiques et logiques, l’accumulateur contient un des opérandes. Il peut aussi
servira comme un registre tampon pendant les opérations d’entrée/sortie. Généralement ce
registre a la même taille qu’un mot mémoire. Mais la plupart des machines possèdent une
extension qui permet de doubler sa taille. Cette extension souvent appelée Registre Q ou X, ce
registre est utilisé conjointement avec l’accumulateur pour contenir par exemple le résultat d’une
opération de division (quotient).
Naturellement, l’accumulateur est accessible par le programmeur, car il est toujours sollicité
pendant le traitement des données.
b. Registre d’état (PSW: Processor Status Word).
Appelé aussi registre condition, il contient des bits indicateurs appelés drapeaux (Flag), permettant
d’indiquer l’état du processeur après l’exécution de la dernière opération.
PSW
ZF CF OF SF .. .. .. ..




Par exemple :
- le bit indicateur ZF (Zéro) est positionné à 1 pour indiquer que le résultat de la dernière opération
A/L est nul.
- Le bit indicateur OF (Over flow) est positionné 1 pour indiquer que le résultat de la dernière
opération A/L a provoqué un dépassement de capacité (résultat >> Accumulateur).

 L’unité de commande (contrôle) : C’est un ensemble de circuits et de registres qui
coordonnent le fonctionnement de l’ordinateur afin d’exécuter correctement la suite
d’opérations spécifiées dans les instructions du programme. L’unité de commande à pour
but :
- Extraire les instructions de la mémoire centrale.
- Analyse et décodage des instructions.
- Génération des microcommandes ordonnées aux autres unités (UAL, ACC, Mémoire,…) pour
l’exécution de l’instruction en cours d’analyse à des instants précis grâce à un ensemble de
registres et de circuits.

Remarque : au cours d’exécution, l’unité de commande doit prendre en considération le temps de
réponse de chaque partie (unité).

L’unité de commande comporte :

Le compteur ordinal (CO) (PC : Program Counter) : C’est un registre qui contient toujours l’adresse
mémoire de la prochaine instruction à exécuter. Il est incrémenté automatiquement (CO  CO +1).

Le registre d’instruction(RI) (IR : Instruction Register): C’est un registre dont l’objectif est de de
recevoir et conserver l’instruction pendant son interprétation.

Le décodeur (Decoder) : C’est un circuit permettant d’analyser les instructions afin de préparer
l’exécution.

UAL

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Le séquenceur : un circuit permettant la génération des microcommandes - des signaux- (addition, R,
W, open BUS,…) aux différentes unités (UAL, Bus, Acc, E/S, MC,…) selon la nécessité de l’opération
(en fonction de l’opération). Ces opérations correspondent à l’interprétation de l’instruction à exécuter
dans le CPU.



MC
CO


RI 11

12



Unité de
commande






Microcommandes


Remarques :
- Un microprocesseur est un processeur dont tous les constituants sont réunis sur la même puce
(chip ou circuit intégré), afin de réduire les coûts de fabrication et d’augmenter la vitesse de
traitement.
- Les micro-ordinateurs sont des ordinateurs équipés de microprocesseurs (le PC par exemple).
- Au microprocesseur s’ajoute des éléments qui augmentent les performances tel que : la mémoire
cache, les unités de calcul flottante, les coprocesseurs arithmétiques, les pipelines,….

2.2.1.3. Les périphériques d’E/S (unités d’échange) :
Ce sont des unités qui permettant d’établir la liaison en matière d’information avec le monde externe de
l’ordinateur (l’utilisateur, le programmeur,…). Il existe trois types de périphériques :
 Les périphériques d’entrée (Input) : des unités permettant d’introduire l’information
(texte, nombres, images, audio,…) à l’unité centrale de l’ordinateur. Exemple : clavier,
souris, scanner, microphone, réseau, capteur,….
 Les périphériques de sortie (Output) : des unités permettant de faire sortir l’information à
partir de l’unité centrale (mémoire centrale ou registres processeur) vers le monde externe
(l’utilisateur par exemple). Exemple : l’écran, l’imprimante, haut parleur, actionnaire….
 Les périphériques de stockages (Storage) : Appelés aussi les mémoires secondaires,
permettant de stocker et de restituer l’information comme la RAM, mais sur des supports
secondaires qui peuvent conserver l’information en permanence même en absence de courant
électrique. Exemple : carte perforée, bande magnétique, cassette, disquette, disque dur, CD-
ROM, DVD-ROM,…

12
Mov R2, 3



Add R1,2

Mov R2,3
Décodeur

Séquenceur
MAR
MDR

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2.2.1.4. Les bus (unités d’interconnexion)
Le bus est l’ensemble des lignes de liaison qui assurent la communication entre les différents organes de
l’ordinateur : processeur, mémoire, unités d’échange (E/S).
Les lignes du bus sont classées en trois catégories :

 Les lignes d’adresses
C’est l’ensemble des lignes destinées à effectuer le transport des adresses du processeur vers la
mémoire centrale.
 Les lignes de données
Elles effectuent le transport des données entre le processeur et la mémoire centrale ou les unités
d’échange.
 Les lignes de commande (contrôle)
Tout ce qui n’entre pas dans l’une des catégories : adresses ou données et qui est nécessaire à un
bon déroulement de la communication entre les différents éléments (Read, write, add, int,…).

Remarque : Il existe trois types de bus selon les éléments à interconnecter :
- Bus interne (local): ce type de bus assure la liaison entre les éléments internes de processeur
(UAL, UC, Acc,…).
- Bus système (externe): ce bus assure la liaison entre le processeur et la mémoire centrale et les
unités d’échange.
- Bus d’extension (d’entrée/sortie): Ce bus permet de connecter à l’unité centrale les contrôleurs
de périphériques (processeurs spécialisés pour la gestion des périphériques). Exemple : les bus
ISA et PCI,…