Structure des ordinateurs 
Hecquet Jean-Paul 
jp.hecquet@ephec.be 
Structure des ordinateurs 2014-2015 1
Présentation 
• Hecquet Jean-Paul 
• Analyste programmeur 
• jp.hecquet@ephec.be 
• M’envoyer un email avec le sujet : 
Et...
Cadre 
• ARCHITECTURE DES SYSTÈMES 
– Systèmes d’exploitation 
• Michel Bernair 
• 11 soirées du 3 novembre au 30 janvier ...
Programme 
• Introduction 
• Numération 
• Représentation des données 
• Unité centrale de traitement (CPU) 
• Modes d'adr...
Programme 
• Bandes et cartouches magnétiques 
• Disques durs et contrôleurs 
• Disques optiques 
• Disquettes, disques am...
Références 
Structure des ordinateurs 2014-2015 6
Références 
• PowerPoint 
STRUCTURE ET ARCHITECTURE DES SYSTEMES 
Mohammed Kammachi & Michel Bernair 
Année académique 201...
Introduction 
• Qu’est-ce que l’informatique ? 
- Science du traitement automatique 
de l’information 
Structure des ordin...
Introduction 
• Qu’est-ce qu’un ordinateur ? 
- Exemple : service comptable 
- Reçoit note d’envoi 
- Crée la facture 
Ent...
Introduction 
• Qu’est-ce qu’un ordinateur ? 
- Exemple : service comptable 
Commandes 
Mémoire vive 
Instructions 
Entrée...
Introduction 
• Qu’est-ce qu’un ordinateur ? Exemple : service comptable 
commandes 
mémoire vive 
instructions 
données 
...
Introduction 
• Résoudre un problème grâce à l’ordinateur 
– Exemple facturation 
• Lire le contenu de la note d’envoi (n°...
Introduction 
• Exemple facturation 
– On a donc une suite d’opérations à exécuter par le 
processeur (unité de traitement...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur 
Alain Cazes et Joëlle Delacroix, Architecture des machines et des syst...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur 
– Mémoire centrale 
• Programme machine (suite d’instructions) + donné...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur 
– Mémoire centrale 
• Instructions et données sont codées sur des mots...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur 
– Bus de communication 
• Nappe de fils 
• 1 fil = 1 signal (présent o...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur 
– Bus d’adresses : transport d’adresses mémoire 
Pour adresser un mot ...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur 
– Bus d’adresses 
• Largeur du bus détermine la capacité d’adressage 
...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur 
– Bus de données 
• Echange de données 
• Taille détermine la taille d...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur 
– Bus et mémoire centrale 
Alain Cazes et Joëlle Delacroix, Architectu...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur 
– Unité centrale ou microprocesseur (CPU) 
Alain Cazes et Joëlle Delac...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur 
– Processeur central (CPU) 
• Exécute les instructions machines placée...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur - CPU 
– Registres 
• Espaces mémoires internes au processeur 
• Faible...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur - CPU 
– UAL 
• Exécute tous les calculs 
• Ensemble de circuits des ci...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur - CPU 
– UAL 
• Registre d’état, PSW (Program StatusWord) 
Contrôle de ...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur - CPU 
– Unité de commande 
• Exécute les instructions machines en util...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur – CPU 
– Registre compteur ordinal CO (Process Counter) 
• Registre d’a...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur – CPU 
– Séquenceur 
• Ensemble de circuits 
• Exécute rythmé par l’hor...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur – CPU 
– Registre RDO 
• Registre de données qui permet l’échange de do...
Introduction 
• Structure générale d’un ordinateur – CPU 
– Registre RDO 
• Exemple : CPU lit une donnée en MC 
– placer l...
Introduction 
• Fonctionnement d’un ordinateur 
– Comment un programme machine est exécuté ? 
– Instructions et données do...
Introduction 
• Fonctionnement d’un ordinateur 
– Phases lors de l’exécution d’une instruction 
• Copie du contenu du CO d...
Introduction 
• Unités d’échange 
– Permettent la communication entre modules du 
processeur et périphériques 
– Elles son...
Introduction 
• Démarrage de l’ordinateur 
– Mémoire morte (Read-Only Memory), accessible en 
lecture seule et non volatil...
Numération 
• Pourquoi une logique binaire ? 
– Les systèmes informatiques s’appuient sur des 
ensembles de circuits élect...
Numération 
• Système décimal, binaire, hexadécimal 
– Nous avons pris l'habitude de représenter les nombres en 
utilisant...
Numération 
• Langage binaire : numération en base 2 
– Conversion décimale vers binaire par divisions 
– Exemple : 135 en...
Numération 
• Conversion décimale vers binaire par soustractions 
• Retrancher du nombre la plus grande puissance de 2 
po...
Numération 
• Système hexadécimal : base 16 
– chiffre 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F 
– avec A = 10, B = ...
Numération 
• Conversion directe binaire/hexadécimal 
– Chaque chiffre en hexa représente 4 bits 
• 1510 soit 0xF = 11112 ...
Numération 
• Conversion directe binaire/hexadécimal 
– Chaque chiffre en hexa représente 4 bits 
– Méthode inverse pour l...
Numération 
• Opérations binaires : comme en système décimal 
– Addition 
• 0 + 0 = 0 
• 0 + 1 = 1 
• 1 + 0 = 1 
• 1 + 1 =...
• Exercices 
Numération 
– Convertir en binaire les nombres 39710, 13310 et 11010 
puis en décimal les nombres 1012, 01012...
• Exercices 
Numération 
– Convertir en hexa 319710, 21910 et 65010 
– Convertir en décimal 0x3AE, 0xFFF et 0x6AF 
– Conve...
Représentation des données 
• Représentation des entiers positifs 
– Conversion en base 2 
• Sur 8 bits, on a un intervall...
Représentation des données 
• Représentation des entiers signés 
– Convention du complément à 2 
• Le complément à 2 d’un ...
Représentation des données 
• Représentation des entiers signés 
– Convention du complément à 2 
• L’entier négatif sera d...
Représentation des données 
• A suivre 
– Notion de carry et d’overflow 
– Représentation des nombres flottants 
– Représe...
Unité centrale de traitement 
• Schéma 
Unité centrale Mémoire centrale 
Instructions 
Données 
Unité de Commande 
Unité d...
Unité centrale de traitement 
• Unité centrale (UC) 
– C’est l’unité de traitement : microprocesseur 
– Composée de 2 élém...
Unité centrale de traitement 
• Mémoire centrale (MC) 
– Cellules de même taille : mot mémoire 
– Instructions ou données ...
Unité centrale de traitement 
• Un programme est constitué d’un ensemble 
d’instructions qui effectuent des traitements av...
Unité centrale de traitement 
• Instruction 
– Opération élémentaire : 
c = a + b; // langage C 
– Action + Données 
– Zon...
Unité centrale de traitement 
• Instruction 
– Zone adresse 
• Quelle donnée ? 
• Pas la donnée elle-même, mais son adress...
Unité centrale de traitement 
• Unité de commande 
– Gestion du déroulement du programme 
– Décoder l’instruction en cours...
Unité centrale de traitement 
• Unité de commande 
Microcommandes 
Registre Séquenceur 
d’état 
Compteur ordinal 
Décodeur...
Unité centrale de traitement 
• Unité de commande 
– Registre d’instruction : instruction à traiter 
– Séquenceur 
• Emet ...
Unité centrale de traitement 
• Unité de commande 
– Registre d’état 
• Flag (indicateur) état d’autres éléments/informati...
Unité centrale de traitement 
• Unité de commande 
– Compteur ordinal (Program Counter ou 
Instruction Pointer) 
• Lorsque...
Unité centrale de traitement 
• Unité arithmétique et logique (UAL) 
– Centre de calcul (circuits logiques additionneurs, ...
Unité centrale de traitement 
• Unité de commande + UAL = unité centrale ou 
CPU (Central Processor Unit) 
– Acquérir, déc...
Unité centrale de traitement 
• Les bus 
– Communications CPU internes et externes 
– Données, adresses et commandes 
CPU ...
Unité centrale de traitement 
• Les bus 
– Bus de données (Data Bus) 
• Transfert de données (instructions ou données) 
• ...
Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement 
Pour chaque instruction d’un programme, 
on distingue 2 phases principales...
Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement : Recherche de 
l’instruction (fetch) 
– Le programme est chargé en mémoire...
Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement : Recherche de l’instruction (fetch) 
1.Copier le contenu du PC sur l’Adres...
Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement : Recherche de l’instruction (fetch) 
4.Copie buffer sur Data Bus 
5.Copie ...
Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement : Traitement de l’instruction 
– Séquenceur et décodeur vont analyser la zo...
Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement : Traitement de l’instruction 
1. Copie du contenu de la zone adresse du re...
Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement : Traitement de l’instruction 
4. Copie buffer sur Data Bus 
5. Copie du Da...
Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement 
– Exemple : le programme chargé doit effectuer 
l’addition de 2 nombres st...
Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement : C6 F8 10 = ADD A,(F810) 
CPU 
MC 
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00 00 04 
3A F8 00 
C6 F8 10 ...
Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement : C6 F8 10 = ADD A,(F810) 
– Etat après le Fetch 
CPU 
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• Fonctionnement : C6 F8 10 = ADD A,(F810) 
– Etat après le traitement 
CPU 
MC 
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Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement : 32 F8 20 = LOAD (F820),A 
CPU 
MC 
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C6 F8 10...
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• Fonctionnement : 32 F8 20 = LOAD (F820),A 
– Etat après le fetch 
CPU 
MC 
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00 00...
Unité centrale de traitement 
• Fonctionnement : 32 F8 20 = LOAD (F820),A 
– Etat après le traitement 
CPU 
MC 
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...
Unité centrale de traitement 
• Exercice 
– Le programme chargé doit effectuer la 
soustraction de 9 (F810) moins 3 (F820)...
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  1. 1. Structure des ordinateurs Hecquet Jean-Paul jp.hecquet@ephec.be Structure des ordinateurs 2014-2015 1
  2. 2. Présentation • Hecquet Jean-Paul • Analyste programmeur • jp.hecquet@ephec.be • M’envoyer un email avec le sujet : Etudiant du cours de structure des ordinateurs • Je vous enverrai le lien pour télécharger les notes de cours (PowerPoint) Structure des ordinateurs 2014-2015 2
  3. 3. Cadre • ARCHITECTURE DES SYSTÈMES – Systèmes d’exploitation • Michel Bernair • 11 soirées du 3 novembre au 30 janvier • Aspect logiciel : OS, config, command, installation, sécurité,… – Structure des ordinateurs • Jean-Paul Hecquet • 8 soirées : 7 cours + examen écrit le 20 octobre 2014 • Aspect matériel/interne : processeurs, mémoire, bus,… Structure des ordinateurs 2014-2015 3
  4. 4. Programme • Introduction • Numération • Représentation des données • Unité centrale de traitement (CPU) • Modes d'adressage et interruptions • Les BUS • Microprocesseurs • Mémoires Structure des ordinateurs 2014-2015 4
  5. 5. Programme • Bandes et cartouches magnétiques • Disques durs et contrôleurs • Disques optiques • Disquettes, disques amovibles et cartes PCMCIA • Système de gestion de fichier • Gestion de l'espace mémoire • Imprimante • Ecran Structure des ordinateurs 2014-2015 5
  6. 6. Références Structure des ordinateurs 2014-2015 6
  7. 7. Références • PowerPoint STRUCTURE ET ARCHITECTURE DES SYSTEMES Mohammed Kammachi & Michel Bernair Année académique 2011-2012 – VERSION 1.13 Structure des ordinateurs 2014-2015 7
  8. 8. Introduction • Qu’est-ce que l’informatique ? - Science du traitement automatique de l’information Structure des ordinateurs 2014-2015 8
  9. 9. Introduction • Qu’est-ce qu’un ordinateur ? - Exemple : service comptable - Reçoit note d’envoi - Crée la facture Entrées Traitements Sorties D’après Pierre-Alain Goupille, Technologie des ordinateurs et des réseaux, 9° édition DUNOD, 2010 Structure des ordinateurs 2014-2015 9
  10. 10. Introduction • Qu’est-ce qu’un ordinateur ? - Exemple : service comptable Commandes Mémoire vive Instructions Entrées Sorties Unités de données calcul D’après Pierre-Alain Goupille, Technologie des ordinateurs et des réseaux, 9° édition DUNOD, 2010 Structure des ordinateurs 2014-2015 10
  11. 11. Introduction • Qu’est-ce qu’un ordinateur ? Exemple : service comptable commandes mémoire vive instructions données Entrées Sorties unités de calcul mémoire morte mémoire auxiliaire (fichier) D’après Pierre-Alain Goupille, Technologie des ordinateurs et des réseaux, 9° édition DUNOD, 2010 Structure des ordinateurs 2014-2015 11
  12. 12. Introduction • Résoudre un problème grâce à l’ordinateur – Exemple facturation • Lire le contenu de la note d’envoi (n° client, n° article, quantité, …) • Rechercher le client sur base du numéro (coordonnées) • Pour chaque ligne de commande, rechercher l’article sur base du numéro (libellé, prix, taux de TVA), calculer le montant • Calculer les montants de la facture (htva, tva et total) • Générer le numéro de la facture, la date • Enregistrer dans un fichier • Imprimer, … Structure des ordinateurs 2014-2015 12
  13. 13. Introduction • Exemple facturation – On a donc une suite d’opérations à exécuter par le processeur (unité de traitement) – Soit un programme = suite d’instructions – Dans quel langage ? • Le processeur ne connait que le bit (0,1) • Il ne connait pas « Rechercher le client » • Il faudra donc traduire cette opération en suite d’instructions connues par le processeur dans son langage : le langage machine Structure des ordinateurs 2014-2015 13
  14. 14. Introduction • Structure générale d’un ordinateur Alain Cazes et Joëlle Delacroix, Architecture des machines et des systèmes informatiques, 3° édition DUNOD, 2008 Structure des ordinateurs 2014-2015 14
  15. 15. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – Mémoire centrale • Programme machine (suite d’instructions) + données • Processeur ne peut exécuter une instruction que si elle est placée en MC • Ensemble de circuit élémentaire bits (2 états 0 ou 1) • Découpée en cellules (mots) mémoires (1,4,8,16,32 voir même 64 bits) • Chaque mot est identifié par une adresse • L’information est accessible par mot et codée en binaire Structure des ordinateurs 2014-2015 15
  16. 16. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – Mémoire centrale • Instructions et données sont codées sur des mots mémoires : selon l’ordinateur, elles peuvent occuper un ou plusieurs mots mémoires • Instructions machines propres à chaque processeur mais toujours : code opération + données • Codage de donnée selon son type : – Exemple : caractère ASCII, entier conversion simple en base 2 • Opérations possibles : lecture / écriture – En réalité 2 opérations : 1 définir l’adresse + 2 r/w • Caractéristiques : temps d’accès, technologie et coût Structure des ordinateurs 2014-2015 16
  17. 17. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – Bus de communication • Nappe de fils • 1 fil = 1 signal (présent ou non) = 0 ou 1 = 1 bit • Largeur du bus = nombre de fils • Exemple : – 3 fils – permet une combinaison de 8 signaux différents – 8 informations différentes possibles – Et 8 fils ? • En réalité il s’agit d’un ensemble de 3 bus – Bus d’adresses – Bus de données – Bus de commandes Structure des ordinateurs 2014-2015 17
  18. 18. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – Bus d’adresses : transport d’adresses mémoire Pour adresser un mot mémoire, on utilise un décodeur. Pour un bus de largeur n, la sortie du décodeur renvoie 2n sorties. Une seul sortie est positionnée à 1, les autres à 0. Exemple : MC de 8 mots de 16 bits Bus de 3 fils 2ème mot adressé Alain Cazes et Joëlle Delacroix, Architecture des machines et des systèmes informatiques, 3° édition DUNOD, 2008 Structure des ordinateurs 2014-2015 18
  19. 19. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – Bus d’adresses • Largeur du bus détermine la capacité d’adressage • Ne pas confondre avec la taille physique de la MC • Exercice : – Quel est la largeur de bus pour adresser une MC de 1024 octets adressable par octet ? – 1 bus de largeur 32 : a) permet d’adresser 8 GBytes d’une MC adressable par byte b) permet d’adresser 4 GBytes d’une MC adressable par octet c) permet d’adresser 1 Gbytes de mots de 4 Bytes d’une MC adressable par octet Structure des ordinateurs 2014-2015 19
  20. 20. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – Bus de données • Echange de données • Taille détermine la taille des mots mémoires accessibles – Bus de commande • Canal de commande utilisé par le processeur pour piloter les composants lors de l’exécution d’un programme Structure des ordinateurs 2014-2015 20
  21. 21. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – Bus et mémoire centrale Alain Cazes et Joëlle Delacroix, Architecture des machines et des systèmes informatiques, 3° édition DUNOD, 2008 Structure des ordinateurs 2014-2015 21
  22. 22. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – Unité centrale ou microprocesseur (CPU) Alain Cazes et Joëlle Delacroix, Architecture des machines et des systèmes informatiques, 3° édition DUNOD, 2008 Structure des ordinateurs 2014-2015 22
  23. 23. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – Processeur central (CPU) • Exécute les instructions machines placées en MC • Il est composé de 4 parties : • UAL : unité arithmétique et logique • Registres • Unité de commande • Bus de communication Structure des ordinateurs 2014-2015 23
  24. 24. Introduction • Structure générale d’un ordinateur - CPU – Registres • Espaces mémoires internes au processeur • Faibles capacités, temps d’accès rapides • Nombre et taille variables en fonction type CPU • Contiennent adresse ou données Structure des ordinateurs 2014-2015 24
  25. 25. Introduction • Structure générale d’un ordinateur - CPU – UAL • Exécute tous les calculs • Ensemble de circuits des circuits arithmétiques et logiques qui permettent au CPU d’effectuer les opérations élémentaires • Addition, soustraction, comparaison, … • Contient également des registres (entrées, sorties) sur lesquels les opérations vont être effectuées – Exemple : 3 + 4 = 7 3 va être placé dans Y1 et 4 dans Y2 via le Data Bus Le résultat 7 sera placé dans le registre Z Structure des ordinateurs 2014-2015 25
  26. 26. Introduction • Structure générale d’un ordinateur - CPU – UAL • Registre d’état, PSW (Program StatusWord) Contrôle de l’exécution d’un programme Donne des informations sur l’état du CPU Exemple – Addition de 2 nombres dépasse la taille d’un mot en MC Le résultat n’est donc pas représentable sur un mot mémoire Un code « Overflow » est alors placé dans ce registre Structure des ordinateurs 2014-2015 26
  27. 27. Introduction • Structure générale d’un ordinateur - CPU – Unité de commande • Exécute les instructions machines en utilisant les registres et l’UAL • 2 registres pour la manipulation des instructions : le compteur ordinal (CO) et le registre d’instruction (RI) • Le décodeur et le séquenceur • 2 registres pour la communication avec les autres modules : le registre d’adresses RAD et le registre de données RDO Structure des ordinateurs 2014-2015 27
  28. 28. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – CPU – Registre compteur ordinal CO (Process Counter) • Registre d’adresses, contient l’adresse de la prochaine instruction à exécuter • Est modifié pendant l’exécution de l’instruction en cours – Registre d’instruction RI • Registre de données, contient l’instruction à exécuter – Décodeur • Ensemble de circuits qui servent à décoder l’instruction à exécuter et transmet au séquenceur son type (sa nature) Structure des ordinateurs 2014-2015 28
  29. 29. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – CPU – Séquenceur • Ensemble de circuits • Exécute rythmé par l’horloge du CPU, une séquence de microcommandes pour réaliser toutes les étapes de l’instruction en cours • Utilise les registres et l’UAL – Registre RAD • Registre d’adresses • Il est connecté au bus d’adresses et permet la sélection d’un mot mémoire via le circuit de sélection. • L’adresse contenue dans le registre RAD est placée sur le bus d’adresses et devient la valeur d’entrée du circuit de sélection de la mémoire centrale qui va à partir de cette entrée sélectionner le mot mémoire correspondant. Structure des ordinateurs 2014-2015 29
  30. 30. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – CPU – Registre RDO • Registre de données qui permet l’échange de données entre la MC et le CPU • Exemple : CPU charge l’instruction – placer le contenu du registre CO dans le registre RAD via le bus d’adresses et le circuit de sélection – déclencher une commande de lecture mémoire via le bus de commandes – recevoir dans le registre de données RDO, via le bus de données, l’instruction – place le contenu du registre de données RDO dans le registre instruction RI via le bus interne du microprocesseur Structure des ordinateurs 2014-2015 30
  31. 31. Introduction • Structure générale d’un ordinateur – CPU – Registre RDO • Exemple : CPU lit une donnée en MC – placer l’adresse de la données dans le registre RAD – déclencher une commande de lecture mémoire – recevoir dans le registre de données RDO – place le contenu du registre de données RDO dans un registre du CPU Structure des ordinateurs 2014-2015 31
  32. 32. Introduction • Fonctionnement d’un ordinateur – Comment un programme machine est exécuté ? – Instructions et données doivent être stockés en MC – En général, ils sont placés dans des espaces mémoires séparés – Lorsque le programme et ses données sont chargés, le compteur ordinal (CO) contient l’adresse de la première instruction du programme à exécuter Structure des ordinateurs 2014-2015 32
  33. 33. Introduction • Fonctionnement d’un ordinateur – Phases lors de l’exécution d’une instruction • Copie du contenu du CO dans le RAD • Commande de lecture de la MC via le bus de commande • Copie de l’instruction vers le RI via le bus de données et le RDO • Analyse de l’instruction (RI) par le décodeur qui transmet au séquenceur sa nature (type) • Séquenceur déclenche au rythme de l’horloge la séquence de microcommandes pour réaliser l’instruction Structure des ordinateurs 2014-2015 33
  34. 34. Introduction • Unités d’échange – Permettent la communication entre modules du processeur et périphériques – Elles sont connectées au CPU et à la MC via le bus interne, en réalité via les bus d’extensions (ISA, USB, FireWire, Fiberchanel, PCI…) – Elles sont en communication avec les périphériques qu’elles pilotent Structure des ordinateurs 2014-2015 34
  35. 35. Introduction • Démarrage de l’ordinateur – Mémoire morte (Read-Only Memory), accessible en lecture seule et non volatile – Elle contient un programme : le bootstrap – Le disque dur contient le système d’exploitation (Operating System), ex : Windows, Linux, Mac OS … – Le bootstrap connait l’adresse de l’OS – Au démarrage de l’ordinateur, exécution du bootstrap • Chargement en MC de l’OS • Exécution de l’OS • Lorsque l’utilisateur démarre un programme (ex : word), c’est l’OS qui le charge en MC et positionne le CO Structure des ordinateurs 2014-2015 35
  36. 36. Numération • Pourquoi une logique binaire ? – Les systèmes informatiques s’appuient sur des ensembles de circuits électroniques qui ne connaissent que 2 états logiques possibles (0 et 1) – Par conséquent toutes les informations (nombres, caractères et instructions) ne peuvent donc être représentées que par une combinaison de 0 et 1, c’est-à-dire sous une forme binaire Structure des ordinateurs 2014-2015 36
  37. 37. Numération • Système décimal, binaire, hexadécimal – Nous avons pris l'habitude de représenter les nombres en utilisant dix symboles différents: 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 – Ce système est appelé le système décimal (déci signifie dix) – Dans un système de numération : le nombre de symboles distincts est appelé la base du système de numération – Un nombre est exprimable en forme polynômiale selon sa base 1978,2 = 1*103 + 9*102 + 7 *101 + 8*100 + 2*10-1 2 (1110,1) =1*2 +1*2 +1*2 + 0*2 +1*2- = (14,5) 10 3 2 1 0 1 16 (A17) = A*16 +1*16 + 7*16 =10*16 +1*16 + 7*16 2 1 0 2 1 0 Décimal Binaire Hexa Structure des ordinateurs 2014-2015 37
  38. 38. Numération • Langage binaire : numération en base 2 – Conversion décimale vers binaire par divisions – Exemple : 135 en base 2, soit 100001112 135 / 2 = 67 reste 1 67 / 2 = 33 reste 1 33 / 2 = 16 reste 1 16 / 2 = 8 reste 0 8 / 2 = 4 reste 0 4 / 2 = 2 reste 0 2 / 2 = 1 reste 0 1 / 2 = 0 reste 1 ATTENTION : le premier reste est le bit de poids faible Structure des ordinateurs 2014-2015 38
  39. 39. Numération • Conversion décimale vers binaire par soustractions • Retrancher du nombre la plus grande puissance de 2 possible : 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, … • Exemple : 135 en base 2, soit 100001112 De 135 on peut (1) retirer 128 reste 7 7 on ne peut pas (0) retirer 64 reste 7 7 on ne peut pas (0) retirer 32 reste 7 7 on ne peut pas (0) retirer 16 reste 7 7 on ne peut pas (0) retirer 8 reste 7 7 on peut (1) retirer 4 reste 3 3 on peut (1) retirer 2 reste 2 1 on peut (1) retirer 1 reste 1 ATTENTION : le sens est inversé, le premier résultat est le bit de poids fort Structure des ordinateurs 2014-2015 39
  40. 40. Numération • Système hexadécimal : base 16 – chiffre 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F – avec A = 10, B = 11, C = 12, D = 13, E = 14, F = 15 – Conversion en base 16, division successive – Exemple convertir 728 soit 0x2D8 728 : 16 = 45 reste 8 45 : 16 = 2 reste 13 2 : 16 = 0 reste 2 Structure des ordinateurs 2014-2015 40
  41. 41. Numération • Conversion directe binaire/hexadécimal – Chaque chiffre en hexa représente 4 bits • 1510 soit 0xF = 11112 • 1410 soit 0xE = 11102 • … • 210 soit 0x2 = 00102 • 110 soit 0x1 = 00012 – On peut donc décomposer le nombre binaire en blocs de 4 bits en partant de la droite. • 73210 donne en binaire 1011011100 0010 1101 1100 décimal 2 13 12 hexa 2 D C Structure des ordinateurs 2014-2015 41
  42. 42. Numération • Conversion directe binaire/hexadécimal – Chaque chiffre en hexa représente 4 bits – Méthode inverse pour la conversion en binaire – Exemple 0x1AB 1 A B 0001 1010 1011 Structure des ordinateurs 2014-2015 42
  43. 43. Numération • Opérations binaires : comme en système décimal – Addition • 0 + 0 = 0 • 0 + 1 = 1 • 1 + 0 = 1 • 1 + 1 = 0 avec une retenue de 1 – Soustraction • 0 – 0 = 0 • 0 – 1 = 1 avec une retenue de 1 • 1 – 1 = 0 et 1 – 0 = 1 – Multiplication • 0 * 0 = 0 • 0 * 1 = 0 • 1 * 0 = 0 • 1 * 1 = 1 Structure des ordinateurs 2014-2015 43
  44. 44. • Exercices Numération – Convertir en binaire les nombres 39710, 13310 et 11010 puis en décimal les nombres 1012, 01012 et 1101102 et vérifier en convertissant pour revenir à la base d’origine – Effectuer les opérations suivantes et vérifier les résultats en procédant aux conversions nécessaires. a) 1100 + 1000 = b) 1001 + 1011 = c) 1100 – 1000 = d) 1000 – 101 = e) 1 + 1 + 1 + 1 = Structure des ordinateurs 2014-2015 44
  45. 45. • Exercices Numération – Convertir en hexa 319710, 21910 et 65010 – Convertir en décimal 0x3AE, 0xFFF et 0x6AF – Convertir en binaire 0xF0A et 0xC01 Structure des ordinateurs 2014-2015 45
  46. 46. Représentation des données • Représentation des entiers positifs – Conversion en base 2 • Sur 8 bits, on a un intervalle en base 10 [0,256] • 8 bits ==> 28 valeurs possibles • Représentation des entiers signés – Convention de la valeur signée • Le bit de poids fort est le bit de signe • Si sa valeur est 0, alors le nombre codé est positif • Si sa valeur est 1, alors le nombre codé est négatif • Sur 8 bits, l’intervalle en base 10 est modifié [- 127, + 127] Structure des ordinateurs 2014-2015 46
  47. 47. Représentation des données • Représentation des entiers signés – Convention du complément à 2 • Le complément à 2 d’un nombre binaire N = 1 + complément à 1 de N. • Le complément à 1 s’obtient en inversant la valeur de chacun des bits de ce nombre. • Exemple 100010012 complément à 1 011101102 inversion des bits + 12 ajout de 1 complément à 2 011101112 Structure des ordinateurs 2014-2015 47
  48. 48. Représentation des données • Représentation des entiers signés – Convention du complément à 2 • L’entier négatif sera donc le complément à 2 du positif • Le bit de poids fort est également interprété comme bit de signe • Ce système est utilisé pour faciliter les calculs • La réalisation d’une soustraction ne nécessite pas de circuit particulier. Soustraire un nombre A à un autre nombre B équivaut à additionner au nombre B le complément à 2 du nombre A Structure des ordinateurs 2014-2015 48
  49. 49. Représentation des données • A suivre – Notion de carry et d’overflow – Représentation des nombres flottants – Représentation des caractères Structure des ordinateurs 2014-2015 49
  50. 50. Unité centrale de traitement • Schéma Unité centrale Mémoire centrale Instructions Données Unité de Commande Unité de Calcul Unité d’échange Périphériques Structure des ordinateurs 2014-2015 50
  51. 51. Unité centrale de traitement • Unité centrale (UC) – C’est l’unité de traitement : microprocesseur – Composée de 2 éléments – Unité de calcul (UAL) • Unité arithmétique et logique • Opérations arithmétiques : additions, multiplications,... • Traitements logiques : comparaisons – Unité de commande • Gestion des programmes en cours d’exécution • Instruction à exécuter, pilote UAL, MC, périph. (via unité d’échange) • Compteur ordinal : instruction suivante Structure des ordinateurs 2014-2015 51
  52. 52. Unité centrale de traitement • Mémoire centrale (MC) – Cellules de même taille : mot mémoire – Instructions ou données – 8, 16, 32 ou 64 bits … – Adresses • Unité d’échange – Gestion des transferts entre UC et périphériques • Périphériques – Ecran, clavier, disque, … Structure des ordinateurs 2014-2015 52
  53. 53. Unité centrale de traitement • Un programme est constitué d’un ensemble d’instructions qui effectuent des traitements avec des données • Qu’est-ce qu’une instruction ? Unité centrale Mémoire centrale Instructions Données Unité de Commande UAL Unité d’échange Périphériques Structure des ordinateurs 2014-2015 53
  54. 54. Unité centrale de traitement • Instruction – Opération élémentaire : c = a + b; // langage C – Action + Données – Zone opération + Zone adresse – Zone opération • Quelle opération à exécuter ? • Taille détermine le jeu d’instruction • Code Opération : identifie l’opération • Code Complémentaire : – Exemple : addition zone x à x, addition zone z à x Structure des ordinateurs 2014-2015 54
  55. 55. Unité centrale de traitement • Instruction – Zone adresse • Quelle donnée ? • Pas la donnée elle-même, mais son adresse • Emplacement de la cellule dans la MC • Instruction a souvent besoin de 2 données, donc 2 adresses (exemple : addition de A avec B) Utilisation d’un registre particulier de l’UAL : accumulateur Structure des ordinateurs 2014-2015 55
  56. 56. Unité centrale de traitement • Unité de commande – Gestion du déroulement du programme – Décoder l’instruction en cours, lancer les ordres (microcommandes), charger l’instruction suivante Unité centrale Mémoire centrale Instructions Données Unité de Commande UAL Unité d’échange Périphériques Structure des ordinateurs 2014-2015 56
  57. 57. Unité centrale de traitement • Unité de commande Microcommandes Registre Séquenceur d’état Compteur ordinal Décodeur + 1 Code opération Zone adresse Instruction Registre d’instruction Structure des ordinateurs 2014-2015 57
  58. 58. Unité centrale de traitement • Unité de commande – Registre d’instruction : instruction à traiter – Séquenceur • Emet les microcommandes • Selon le type d’instruction (quoi ?, à qui ?) • Dans un ordre chronologique précis • Cadencé par l’horloge interne • Facteur de vitesse (fréquence) Structure des ordinateurs 2014-2015 58
  59. 59. Unité centrale de traitement • Unité de commande – Registre d’état • Flag (indicateur) état d’autres éléments/informations • Exemple : addition en cours, retenue addition précédente • Exemple – Z : Zéro : résultat d’une opération est nul – C : Carry : retenue, résultat incomplet ex : addition de nombre de 64 bits sur un processeur 32 bits – N : Négatif : résultat négatif – O : Overflow : taille du processeur top petite pour stocker résultat Structure des ordinateurs 2014-2015 59
  60. 60. Unité centrale de traitement • Unité de commande – Compteur ordinal (Program Counter ou Instruction Pointer) • Lorsque le séquenceur a terminé, il faut charger dans le registre d’instruction la prochaine instruction • Il contient l’adresse de la prochaine instruction • Etapes – Au lancement du programme, chargement dans le compteur ordinal de l’adresse de la 1ère instruction du programme – Chargement de l’instruction dans le registre d’instruction de la 1ère instruction – Chargement dans le compteur ordinal de l’adresse de la prochaine instruction du programme Structure des ordinateurs 2014-2015 60
  61. 61. Unité centrale de traitement • Unité arithmétique et logique (UAL) – Centre de calcul (circuits logiques additionneurs, multiplicateurs, comparateurs, …) – Données en entrées à traiter, résultat stocké dans registre accumulateur Unité centrale Mémoire centrale Instructions Données Unité de Commande UAL Unité d’échange Périphériques Structure des ordinateurs 2014-2015 61
  62. 62. Unité centrale de traitement • Unité de commande + UAL = unité centrale ou CPU (Central Processor Unit) – Acquérir, décoder les instructions d’un programme – Faire exécuter par l’UAL les opérations – Gérer les adresses des instructions du programme (compteur ordinal) – Mémoriser l’état interne de la machine (registre d’état) – Fournir les signaux de commandes et de contrôle Structure des ordinateurs 2014-2015 62
  63. 63. Unité centrale de traitement • Les bus – Communications CPU internes et externes – Données, adresses et commandes CPU Mémoire centrale Instructions Données Unité de Commande UAL Unité d’échange Périphériques Structure des ordinateurs 2014-2015 63
  64. 64. Unité centrale de traitement • Les bus – Bus de données (Data Bus) • Transfert de données (instructions ou données) • 8, 16, 32 ou 64 bits circulent en parallèle (en même temps) : largeur du bus • Bidirectionnel – Bus d’adresses (Address Bus) • Transfert d’adresses • La largeur du bus détermine la taille de la mémoire adressable par le CPU • Unidirectionnel : CPU vers mémoire – Bus de commandes (Control Bus) • Envoi des microcommandes Structure des ordinateurs 2014-2015 64
  65. 65. Unité centrale de traitement • Fonctionnement Pour chaque instruction d’un programme, on distingue 2 phases principales : – Recherche et chargement de l’instruction (fetch) – Traitement (exécution) de l’instruction Structure des ordinateurs 2014-2015 65
  66. 66. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : Recherche de l’instruction (fetch) – Le programme est chargé en mémoire centrale – Compteur ordinal (PC) contient l’adresse de la 1ère instruction – Le séquenceur génère les microcommandes pour placer la 1ère instruction dans le registre d’instruction – Exemple programme chargé à l’adresse FB 00 Structure des ordinateurs 2014-2015 66
  67. 67. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : Recherche de l’instruction (fetch) 1.Copier le contenu du PC sur l’Adress Bus 2.Transmission au registre adresse MC 3.Copie du contenu de la MC dans buffer CPU MC 3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20 Adresses FB 00 FB 03 FB 04 3 3A F8 00 FB 00 Registre PC FB 00 1 Adress Bus 2 Séquenceur adresse MC Décodeur Registre d’instruction Accumulateur UAL Buffer Data Bus Cd. opér. Zone adr. Structure des ordinateurs 2014-2015 67
  68. 68. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : Recherche de l’instruction (fetch) 4.Copie buffer sur Data Bus 5.Copie du Data Bus vers le registre d’instruction 6.Incrémentation du compteur ordinal CPU MC 3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20 Adresses FB 00 FB 03 FB 06 3A F8 00 FB 00 Registre PC FB 03 6 Adress Bus Séquenceur adresse MC Décodeur Registre 3A F8 00 d’instruction Accumulateur UAL Buffer Cd. opér. Zone adr. 4 Data Bus 5 Structure des ordinateurs 2014-2015 68
  69. 69. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : Traitement de l’instruction – Séquenceur et décodeur vont analyser la zone d’opération et générer les microcommandes nécessaires – Exemple de programme chargé à l’adresse FB00 : • 3A F8 00 = LOAD A,(F800) • charger le registre accumulateur avec le contenu de l’adresse F8 00 de la MC Structure des ordinateurs 2014-2015 69
  70. 70. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : Traitement de l’instruction 1. Copie du contenu de la zone adresse du registre d’instruction 2. Transmission au registre adresse MC 3. Copie du contenu de la MC dans buffer CPU sur Adress Bus MC 00 00 08 3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20 Adresses F8 00 ………. FB 00 FB 03 FB 06 3 00 00 08 F8 00 Registre PC FB 03 Adress Bus 2 Séquenceur adresse MC Décodeur 1 Reg. Instr. 3A F8 00 Accumulateur UAL Buffer Data Bus Cd. opér. Zone adr. Structure des ordinateurs 2014-2015 70
  71. 71. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : Traitement de l’instruction 4. Copie buffer sur Data Bus 5. Copie du Data Bus vers entrée A de l’UAL 6. La donnée passe de l’entrée A vers la sortie sans opération 7. Chargement registre accumulateur CPU MC 00 00 08 3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20 Adresses F8 00 ………. FB 00 FB 03 FB 06 00 00 08 F8 00 Registre PC FB 03 Adress Bus Séquenceur adresse MC Décodeur 3A F8 00 Reg. Instr. Accumulateur 00 00 08 6 UAL Buffer Cd. opér. Zone adr. 4 5 Data Bus Structure des ordinateurs 2014-2015 71
  72. 72. Unité centrale de traitement • Fonctionnement – Exemple : le programme chargé doit effectuer l’addition de 2 nombres stockés aux adresses F800 et F810, le résultat doit être stocké à l’adresse F820 – 3 instructions nécessaires • 3A F8 00 = LOAD A,(F800) – charger l’accumulateur avec le contenu de l’adresse F800 • C6 F8 10 = ADD A,(F810) – ajouter le contenu de l’adresse F810 à l’accumulateur • 32 F8 20 = LOAD (F820),A – charger à l’adresse F820 le contenu de A Structure des ordinateurs 2014-2015 72
  73. 73. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : C6 F8 10 = ADD A,(F810) CPU MC 00 00 08 00 00 04 3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20 Adresses F8 00 … F8 10 … F8 20 … FB 00 FB 03 FB 06 00 00 08 F8 00 Registre PC FB 03 Adress Bus Séquenceur adresse MC Décodeur 3A F8 00 Reg. Instr. Accumulateur 00 00 08 UAL Buffer Data Bus Cd. opér. Zone adr. Structure des ordinateurs 2014-2015 73
  74. 74. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : C6 F8 10 = ADD A,(F810) – Etat après le Fetch CPU MC 00 00 08 00 00 04 3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20 Adresses F8 00 … F8 10 … F8 20 … FB 00 FB 03 FB 06 CC66 FF88 1100 FFBB 0033 Registre PC FFBB 0066 Adress Bus Séquenceur adresse MC Décodeur CC66 FF88 1100 Reg. Instr. Accumulateur 00 00 08 UAL Buffer Data Bus Cd. opér. Zone adr. Structure des ordinateurs 2014-2015 74
  75. 75. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : C6 F8 10 = ADD A,(F810) – Etat après le traitement CPU MC 00 00 08 00 00 04 3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20 Adresses F8 00 … F8 10 … F8 20 … FB 00 FB 03 FB 06 0000 0000 0044 FF88 1100 Registre PC FB 06 Adress Bus Séquenceur adresse MC Décodeur C6 F8 10 Reg. Instr. Accumulateur 0000 0000 00CC UAL Buffer Data Bus Cd. opér. Zone adr. Structure des ordinateurs 2014-2015 75
  76. 76. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : 32 F8 20 = LOAD (F820),A CPU MC 00 00 08 00 00 04 3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20 Adresses F8 00 … F8 10 … F8 20 … FB 00 FB 03 FB 06 00 00 04 F8 10 Registre PC FB 06 Adress Bus Séquenceur adresse MC Décodeur C6 F8 10 Reg. Instr. Accumulateur 00 00 0C UAL Buffer Data Bus Cd. opér. Zone adr. Structure des ordinateurs 2014-2015 76
  77. 77. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : 32 F8 20 = LOAD (F820),A – Etat après le fetch CPU MC 00 00 08 00 00 04 3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20 Adresses F8 00 … F8 10 … F8 20 … FB 00 FB 03 FB 06 3322 FF88 2200 FFBB 0066 Registre PC Adress Bus Séquenceur adresse MC Décodeur 3322 FF88 2200 Reg. Instr. Accumulateur 00 00 0C UAL Buffer Data Bus Cd. opér. Zone adr. Structure des ordinateurs 2014-2015 77
  78. 78. Unité centrale de traitement • Fonctionnement : 32 F8 20 = LOAD (F820),A – Etat après le traitement CPU MC 00 00 08 00 00 04 00 00 0C 3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20 Adresses F8 00 … F8 10 … F8 20 … FB 00 FB 03 FB 06 0000 0000 00CC FF88 2200 Registre PC Adress Bus Séquenceur adresse MC Décodeur 32 F8 20 Reg. Instr. Accumulateur 00 00 0C UAL Buffer Data Bus Cd. opér. Zone adr. Structure des ordinateurs 2014-2015 78
  79. 79. Unité centrale de traitement • Exercice – Le programme chargé doit effectuer la soustraction de 9 (F810) moins 3 (F820), le résultat doit être stocké à l’adresse F820 – 3 instructions nécessaires • 3A F8 10 = LOAD A,(F810) – charger l’accumulateur avec le contenu de l’adresse F810 • D6 F8 20 = SUB A,(F820) – soustraire le contenu de l’adresse F820 à l’accumulateur • 32 F8 20 = LOAD (F820),A – charger à l’adresse F820 le contenu de A Structure des ordinateurs 2014-2015 79

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