Principles D’organisation Et D’architecture De L’ordinateur

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PRINCIPLES

D’ORGANISATION ET D’ARCHITECTURE DE L’ORDINATEUR

Didier BASSOLE

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Avant-propos

L’Université Virtuelle Africaine (UVA) est fière de participer à accès à l’éducation dans les pays africains en produisant du matériel d’apprentissage de qualité. Nous sommes également fiers de contribuer à la connaissance globale, pour nos ressources éducatives sont principalement accessibles de l’extérieur du continent africain.

Ce module a été développé dans le cadre d’un programme de diplôme et diplôme en

informatique appliquée, en collaboration avec 18 institutions partenaires dans 16 pays africains.

Un total de 156 modules ont été développés ou traduits pour assurer la disponibilité en anglais, français et portugais. Ces modules sont également disponibles en tant que ressources éducatives ouvertes (OER) à oer.avu.org.

Au nom de l’Université Virtuelle Africaine et notre patron, nos institutions partenaires, la Banque africaine de développement, je vous invite à utiliser ce module dans votre

établissement, pour leur propre éducation, partager aussi largement que possible et participer activement aux communautés AVU de pratique d’intérêt. Nous nous engageons à être à l’avant-garde du développement et de partage ouvert de ressources pédagogiques.

L’Université Virtuelle Africaine (UVA) est une organisation intergouvernementale

panafricaine mis en place par lettre recommandée avec un mandat d’augmenter l’accès à l’enseignement supérieur et de formation de qualité grâce à l’utilisation novatrice des technologies de communication de l’information. Une charte instituant la UVA Organisation intergouvernementale, signée à ce jour par dix-neuf (19) Les gouvernements africains - Kenya, Sénégal, Mauritanie, Mali, Côte d’Ivoire, Tanzanie, Mozambique, République démocratique du Congo, Bénin, Ghana, République de Guinée, le Burkina Faso, le Niger, le Soudan du Sud, le Soudan, la Gambie, la Guinée-Bissau, l’Ethiopie et le Cap-Vert.

Les institutions suivantes ont participé au programme informatique appliquée: (1) Université d’Abomey Calavi au Bénin; (2) University of Ougagadougou au Burkina Faso; (3) Université Lumière Bujumbura Burundi; (4) Université de Douala au Cameroun; (5) Université de Nouakchott en Mauritanie; (6) Université Gaston Berger Sénégal; (7) Université des Sciences, Techniques et Technologies de Bamako au Mali (8) Institut de la gestion et de l’administration publique du Ghana; (9) Université des sciences et de la technologie Kwame Nkrumah au Ghana; (10) Université Kenyatta au Kenya; (11) Université Egerton au Kenya; (12) Université d’Addis-Abeba en Ethiopie (13) Université du Rwanda; (14) University of Salaam en Tanzanie Dar; (15) Université Abdou Moumouni Niamey Niger; (16) Université Cheikh Anta Diop au Sénégal; (17) Université pédagogique au Mozambique; E (18) L’Université de la Gambie en Gambie.

Bakary Diallo le Recteur

Université Virtuelle Africaine

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Auteur

Didier Bassole

Pair Réviseur

Marcus Kaboret

UVA – Coordination Académique

Dr. Marilena Cabral

Coordinateur global Sciences Informatiques Apliquées

Prof Tim Mwololo Waema

Coordinateur du module

Victor Odumuyiwa

Concepteurs pédagogiques

Elizabeth Mbasu Benta Ochola Diana Tuel

Equipe Média

Sidney McGregor Michal Abigael Koyier

Barry Savala Mercy Tabi Ojwang

Edwin Kiprono Josiah Mutsogu

Kelvin Muriithi Kefa Murimi

Victor Oluoch Otieno Gerisson Mulongo

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Droits d’auteur

Ce document est publié dans les conditions de la Creative Commons Http://fr.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons

Attribution http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/

Le gabarit est copyright African Virtual University sous licence Creative Commons Attribution- ShareAlike 4.0 International License. CC-BY, SA

Supporté par

Projet Multinational II de l’UVA financé par la Banque africaine de développement.

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Avant-propos 2

Crédits de production 3

Droits d’auteur 4

Supporté par 4

Aperçu du cours 11

Prérequis 11

Matériaux 11

Objectifs du cours 11

Unités 11

Évaluation 12

Plan 13

Lectures et autres ressources 14

Unité 0. Évaluation diagnostique 17

Introduction à l’unité 17

Objectifs de l’unité 17

Termes clés 17

Évaluation de l’unité 18

Retour d’informations : 19

Résumé de l’unité 19

Unité 1. Architecture de l’ordinateur et de la mémoire 20

Termes clés 20

Activités d’apprentissage 21 Activité 1.1. – Aperçu historique de l’ordinateur numérique 21

Activité 1.1.1- L’ère mécanographique 21

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Tableau 1.1 : dates marquantes de l’ère mécanographique 22

Activité 1.1.2. - L’ère électronique 23

Caractéristiques principales: 23 Dates importantes : 23

B. La deuxième génération d’ordinateurs (1955 -1964) : les calculateurs à

transistors 24

Caractéristiques principales: 24 Caractéristiques principales: 24 D. Quatrième génération d’ordinateur (1978 - ) : les microprocesseurs 24 Caractéristiques principales: 25

Conclusion 25

Évaluation formative 25 Barème de notation 25 Activité 1.2. – Architecture de Von Neumann 25 Activité 1.2.1.- Structure de l’architecture de Von Neumann 25 Activité 1.2.2- Les composants de l’ordinateur 27

Les composants physique de l’ordinateur 27

Caractéristiques d’une carte mère 29

Le processeur 30

La mémoire principale 30

Operations sur la mémoire 31

Les bus 31

Caractéristiques d’un bus 31

Les Périphériques 32

Partie logicielle d’un ordinateur 33

Conclusion 34

Évaluation formative 34

Activité 1.3. – Architecture de la mémoire 34

Activité 1.3.1 - Caractéristiques techniques d’une mémoire 34 Activité 1.3.2 - Mode d’accès aux données en mémoire 35

(7)

La mémoire vive ou RAM 38

Caractéristique de la RAM statique 38

Caractéristiques de la RAM dynamique 39

La mémoire morte ou ROM 39

La mémoire Flash ou PROM (Programmable Read Only Memory) 40

EPROM (Erasable Read Only Memory) 40

EEPROM (Electrically Erasable Read Only Memory) 40

Conclusion 40

Évaluation formative 41 Résumé de l’unité 41 Évaluation de l’unité 41

Évaluation sommative 41

Barème de notation 42

Unité 2. Logique numérique et représentation des données 43

Introduction à l’unité 43 Objectifs de l’unité 43 Termes clés 43

Activité 2.1. – Introduction à la logique numérique 44

Circuits logiques 44

Portes logiques 44

Portes logiques de base 45

Tables de vérité 45

Conclusion 45

Évaluation formative 45 Activité 2.2 – Expressions et fonctions booléennes 46

Activité 2.2.1. Lois de l’algèbre de Boole 46

(8)

Activité 2.2.2. Les fonctions logiques 47

Conclusion 48

Évaluation formative 48

Activité 2.3 – Représentation des informations 48 Activité 2.3.1. Notion de bases 49 Activité 2.3.2. Représentation des nombres entiers 49 Activité 2.3.3. Représentation des nombres fractionnaires 49 Cas des bases 2, 8 et 16 50 Activité 2.3.4. Codification des nombres entiers 51 Entiers naturels 51 Entiers relatifs 51 Activité 2.3.5. Représentation des caractères 52 Plusieurs points importants à propos du code ASCII : 52

Activité 2.3.6 Représentation des nombres réels (norme IEEE) 52 Évaluation formative 54

Barème de notation 55

Unité 3. Micro architecture 57

Termes clés 57

Activités d’apprentissage 58 Activité 3.1 : Micro architecture et jeu d’instructions 58

Notion de micro architecture 58

Notion de jeu d’instruction 59

Le registre accumulateur 60

Architecture d’un processeur à accumulateur 60

Conclusion 62

(9)

Détail de l’activité 66

Activité 3.3 : Cycle d’instruction 67 Récupération de l’instruction 68

Phase de récupération 68

Décodage de l’instruction 68

Lecture de l’adresse effective 68

Exécution de l’instruction 69

Stockage du résultat en mémoire 69

Conclusion 69 Évaluation formative 69

Évaluation sommative 70 Barème de notation 71 Lectures et autres ressources 71

Unité 4. Jeu d’instructions du micro-processeur 72

Termes clés 72

Activités d’apprentissage 73

Activité 4.1. – Les instructions machine et langage assembleur 73 Le langage machine 73 Le langage assembleur 74 Conclusion 75 Évaluation formative 75

Activité 4.2 Jeux d’instructions CISC et RISC 75 Caractéristiques des processeurs RISC 76

Caractéristiques des processeurs CISC 76

(10)

Inconvénient des processeurs CISC 77

Conclusion 77 Évaluation formative 77

Activité 4.3. – Les registres du processeur et les modes d’adressage 77 Activités 4.3.1. Les registre du processeur 77 Les registres généraux 78

Les registres de segment 78

Les registres d’offset 78

Les registres des indicateurs 79

Notion de pile 80

Activités 4.3.2. Les modes d’adressage 80 Conclusion 86 Évaluation formative 86

Activités 4.4. – Jeux d’instruction du processeur 86 Les familles de jeux d’instructions 86

Registres Valeurs 87 Affectation entre registres 87 Entre Registres et Variables 88 Registres Adresses Mémoire 88 Conclusion 90 Évaluation formative 91

Évaluation sommative 91 Lectures et autres ressources 93

Résumé du module 94

Examen du module 95

Examen final 95

Barème de notation 96

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Aperçu du cours

Bienvenue à Principes d’organisation et d’architecture de l’ordinateur

Le module concernant les principes d’organisation et d’architecture de l’ordinateur est destiné à permettre aux apprenants de connaître les composants de base de l’ordinateur, la manière dont l’information est représentée en mémoire ainsi que les opérations de base sur ces données.

Prérequis

- Introduction à l’informatique appliquée

Matériaux

Les matériaux nécessaires pour compléter ce cours comprennent:

● ordinateur;

● Simulateur de circuits logiques

Objectifs du cours

À la fin de ce cours, l’étudiant devrait être en mesure de

• démontrer une bonne connaissance des composants de base de l’ordinateur,

• d’expliquer la manière dont les informations sont représentées dans l’ordinateur et la manière dont les opérations y sont effectuées

• Utiliser les outils informatiques de base dans d’autres disciplines de l’informatique.

• Déterminer la structure des structures d’interconnexion de l’ordinateur

• Expliquer le mécanisme dont l’unité de commande d’un processeur interprète une instruction au niveau machine, soit directement, soit en tant que

microprogramme

Unités

Unité 0: Évaluation diagnostique

Nous évaluerons les connaissances de base dans cette unité.

Unité 1: Architecture de l’ordinateur et de la mémoire

Dans cette unité, nous aborderons l’aperçu historique de l’ordinateur, l’architecture de Von Neumann, les systèmes de stockage, leur technologie, les normes de stockage ainsi que la hiérarchie des mémoires

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Unité 2 : Logique numérique et représentation des données

Dans cette unité, il s’agit d’introduire la logique numérique, d’étudier les expressions et fonctions booléennes, la représentation des informations ainsi que la détection et correction d’erreur.

Unité 3: Micro Architecture

Nous étudierons la notion de micro architecture, le cycle de traitement des instructions par le processeur, le mécanisme des structures d’interconnexion notamment les bus, leur type ainsi que leurs caractéristiques

Unité 4: Jeu d’instructions du micro-processeur

Nous aborderons dans cette partie l’architecture du processeur, les jeux d’instructions, les jeux de registres, le mode d’adressage et le séquencement des instructions.

Évaluation

Les évaluations formatives (vérification de progrès) sont inclues dans chaque unité.

Les évaluations sommatives (tests et travaux finaux) sont fournies à la fin de chaque module et traitent des connaissances et compétences du module.

Les évaluations sommatives sont gérées à la discrétion de l’établissement qui offre le cours. Le plan d’évaluation proposé est le suivant:

1 Évaluation formative pour chaque unité

A la fin de chaque unité, une évaluation est faite pour s’approprier les concepts et voir si l’objectif de l’activité est atteint

2 Évaluation sommative pour chaque module

Cette évaluation permettrait d’évaluer les objectifs du module abordé

3 Évaluation finale ou évaluation bilan

Elle permettrait de faire une évaluation générale de l’enseignement.

1 Évaluation formative pour chaque unité 10%

2 Évaluation sommative pour chaque module

20%

3 Évaluation finale ou évaluation bilan 70%

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Plan

Unité Sujets et Activités Durée

estimée Unité 0 : Évaluation

diagnostique

Activité de lectures et tests 10 h

Unité 1. Architecture de l’ordinateur et de la mémoire

- Introduction à l’unité 30h

- Objectifs de l’unité - Termes clés

- Activité 1.1 : Aperçu historique de l’ordinateur numérique

- Activité 1.2 : Architecture de Von Neumann - Activité 1.3 : Architecture de la mémoire - Évaluation de l’unité

Unité 2 : Logique numérique et représentation des données

- Activité 2.1 : Introduction à la logique numérique

- Activité 2.2 : Expressions et fonctions booléennes

- Activité 2.3 : Représentation des informations - Évaluation de l’unité

Unité 3 : Micro architecture - Introduction à l’unité 20h - Objectifs de l’unité

- Termes clés

- Activité 3.1 : Micro architecture et l’architecture système

- Activité 3.2. : Architecture du processeur et du micro-processeur

- Activité 3.3 : Cycle d’instruction

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Unité Sujets et Activités Durée estimée - Activité 3.4 : Liaisons Processeur-Mémoire - Les BUS

- Évaluation de l’unité Unité 4 : Jeu

d’instructions du micro-processeur

- Activité 4.1 : Les instructions machine et langage assembleur - Activité 4.2 : Jeux d’instructions CISC et RISC

- Activité 4.3 : Les registres du processeur et les modes d’adressage

- Activité 4 .4 : Jeux d’instructions du processeur - Évaluation de l’unité

Examen final Examen final 3h

Total 120h

Lectures et autres ressources

Les lectures et autres ressources dans ce cours sont indiquées ci-dessous.

Unité 0 : Évaluation diagnostique Lectures et autres ressources obligatoires:

1. http://www.insea.ma/download/coursarchi.pdf

2. http://perso.ens-lyon.fr/frederic.vivien/Enseignement/Archi-2001-2002/Cours.pdf Unité 1 : Architecture de l’ordinateur et de la mémoire

Lectures et autres ressources obligatoires:

1. http://perso.ens-lyon.fr/frederic.vivien/Enseignement/Archi-2001-2002/Cours.pdf 2. https://www.lri.fr/~cecile/ENSEIGNEMENT/IFIPS/IFIPSA/Cours/IFIPAppPolyP1.pdf 3. https://www.lri.fr/~cecile/ENSEIGNEMENT/POLYARCHI/partie1.pdf

4. https://www.lri.fr/~de/PolyarchiCGDE1.pdf

5. http://www.unit.eu/nuxeo/site/esupversions/9881e32d-8ff0-4d71-8810-6d5263ece714

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Unité 2 : Logique numérique et représentation des données Lectures et autres ressources obligatoires:

1. Mesnard Emmanuel - Du binaire au processeur; 2004, Ellipse, chapitre 1 à 7 2. Ronald J.Tocci -Circuits numériques (théorie et applications) 2ème édition. Dunod 3. Philippe Larcher -Introduction à la synthèse logique. Eyrolles

4. Maurice Gaumain - Cours de systèmes logiques; Fonctions standards combinatoires;

Aspects techniques

5. D. Patterson, J. Hennessy. Organisation et conception des ordinateurs. Dunod 94 Traduction de Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, Morgan-

Kauffman 94. Chapitre 1

6. http://perso.ens-lyon.fr/frederic.vivien/Enseignement/Archi-2001-2002/Cours.pdf Unité 3 : Micro architecture

1. D. Patterson, J. Hennessy. Organisation et conception des ordinateurs. Dunod 94 Traduction de Computer Organization and Design : The Harware/Software Interface, Morgan-

Kauffman 94. Chapitre 3 & 4

2. J. Hennessy, D. Patterson. Architecture des ordinateurs : une approche quantitative, Deuxième édition. Thompson Publishing France, 96. Traduction de Computer Architecture. A Quantitative Approach. McGrawHill 96, Chapitre 1 & chapitre 4

3. http://perso.ens-lyon.fr/frederic.vivien/Enseignement/Archi-2001-2002/Cours.pdf 4. http://benoit-m.developpez.com/assembleur/tutoriel

5. https://fr.wikipedia.org/wiki/Architecture_mat%C3%A9rielle 6. https://www.lri.fr/~de/PolyarchiCGDE1.pdf

7. https://www.lri.fr/~cecile/ENSEIGNEMENT/IFIPS/IFIPSA/Cours/IFIPAppPolyP1.pdf Unité 4 : Jeu d’instructions du micro-processeur

1. D. Patterson, J. Hennessy. Organisation et conception des ordinateurs. Dunod 94 Traduction de Computer Organization and Design : The Harware/Software Interface, Morgan-

Kauffman 94. Chapitre 3 & 4

2. J. Hennessy, D. Patterson. Architecture des ordinateurs : une approche quantitative, Deuxième édition. Thompson Publishing France, 96. Traduction de Computer Architecture. A Quantitative Approach. McGrawHill 96, Chapitre 1 & chapitre 4

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4. http://perso.ens-lyon.fr/frederic.vivien/Enseignement/Archi-2001-2002/Cours.pdf 5. http://www.asc-inc.com/ascii.html

6. http://benoit-m.developpez.com/assembleur/tutoriel 7. https://fr.wikipedia.org/wiki/Architecture_MIPS

8. https://fr.wikipedia.org/wiki/Architecture_mat%C3%A9rielle 9. https://fr.wikipedia.org/wiki/Multiprocesseur

10. https://www.lri.fr/~de/PolyarchiCGDE1.pdf

11. https://www.lri.fr/~cecile/ENSEIGNEMENT/IFIPS/IFIPSA/Cours/IFIPAppPolyP1.pdf 12. http://sites.uclouvain.be/SystInfo/notes/Theorie/html/Assembleur/memory.html

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Unité 0. Évaluation diagnostique

Introduction à l’unité

Cette unité vous permettra de vérifier les connaissances que vous devez avoir avant de commencer le cours. Il s’agit de rappeler quelques concepts fondamentaux de l’informatique.

Vous pouvez faire l’évaluation de l’unité avant de faire des activités d’apprentissage pour aider à rafraîchir vos connaissances.

Objectifs de l’unité

À la fin de cette unité, vous devriez être capable de:

Reconnaître les éléments communs de l’ordinateur.

● Identifier l’usage commun des pièces d’un ordinateur.

● Apprécier les termes couramment utilisés dans les applications informatiques.

● Comprendre le déroulement des opérations effectuées en utilisant un ordinateur

● Expliquer où les données sont stockées dans un système informatique

Termes clés

TIC (Technologies d’Information et de la communication) : Il s’agit de l’ensemble des moyens ou équipements (matériels et logiciels ou programmes) assurant le traitement automatique de l’information.

Informatique : Science de traitement automatique de l’information

Ordinateur : Machine programmable destinée à traiter automatiquement des informations qui lui sont fournies en entrée et à retourner en sortie les résultats de ces traitements.

Hardware ou partie matérielle: Ensemble des composants physiques de l’ordinateur

Software ou logiciel: Ensemble des programmes ou instructions qui indiquent à l’ordinateur ce qu’il faut faire.

Le processeur ou CPU (Central Processing unit): est un circuit électronique complexe qui exécute chaque instruction très rapidement, en quelques cycles d’horloges.

Il correspond au cerveau de l’ordinateur et est constitué de l’unité logique et l’unité de traitement.

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La mémoire principale : permet le stockage de l’information (programmes et données)

ROM: Read Only Memory : Constitue la mémoire permanente de l’ordinateur.

RAM: Radom Access Memory. : Il correspond à la mémoire de travail de l’ordinateur encore appelé mémoire vive.

Périphérique d’Entrée: Le matériel qui est utilisé pour transmettre des informations dans l’ordinateur.

Périphérique de Sortie: Le matériel qui reçoit et affiche des informations provenant de l’ordinateur.

Évaluation de l’unité

1. Identifier les différentes parties de l’ordinateur représentées sur l’image suivante:

Figure 0-1 : Identification des composants de l’ordinateur

Source : http://www.proprofs.com/quiz-school/story.hp?title=label-computer-input-output-parts 2. Donnez le nom de l’espace de traitement usuel de l’ordinateur

A: CPU B: RAM C: OS

3. Quel est le nom du point où la souris se connecte à un ordinateur utilisé?

4. En dehors de l’écran d’ordinateur, le nom de deux autres appareils qui sont pour afficher la sortie à partir d’un ordinateur?

5. Qu’est-ce qu’un système informatique?

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6. Parmi ces dispositifs, lequel est un dispositif d’entrée?

(a) Disquette

(b) Clavie (c) Haut-parleurs

7. Parmi ces dispositifs, lequel est un périphérique de stockage?

(a) CPU

(b) Casque (c) Disquette (d) Modem

Retour d’informations :

Vous êtes libre d’interagir à tout moment avec votre instructeur en utilisant les outils de communication tels que e-mail, Facebook ou Twitter. Si vous voulez plus de précisions, vous pouvez adresser vos questions à votre instructeur.

Votre instructeur peut également communiquer régulièrement avec vous en faisant des commentaires sur votre travail, de préférence en utilisant Google docs, les outils de commentaire, email, twitter etc.

Ces outils de communication qui vous aideront à être sur la bonne voie et sur le temps de terminer votre travail.

Vos suggestions, commentaires et recommandations sur la façon dont le contenu de cette unité peut être amélioré, sont les bienvenues.

Résumé de l’unité

Cette a consisté à tester vos connaissances de bases sur l’ordinateur et ses composants. Il vous a permis de vous familiariser avec les termes couramment utilisés dans les applications informatiques et aussi d’identifier l’usage commun des pièces de l’ordinateur.

Lectures et autres ressources

Les lectures et ressources de cette unité se trouvent au niveau des lectures et autres ressources du cours.

2. http://perso.ens-lyon.fr/frederic.vivien/Enseignement/Archi-2001-2002/Cours.pdf

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Unité 1. Architecture de l’ordinateur et de la mémoire

Introduction à l’unité

Dans cette unité, vous apprendrez à propos de l’architecture de l’ordinateur, de l’organisation informatique et du traitement des données et des éléments de stockage, ainsi que la façon dont ces éléments devraient être mises en œuvre.

L’architecture des ordinateurs est l’étude de la structure (organisation), du comportement (fonctionnement) et de la conception (« design ») des ordinateurs.

Objectifs de l’unité

● identifier les principaux composants d’un ordinateur

● décrire les fonctions des principaux composants d’un ordinateur

● identifier les principes de base de l’architecture informatique

● expliquer les principes de fonctionnement de la mémoire et ses principales caractéristiques

● expliquer les technologies des mémoires, les types de mémoire et leur hiérarchie

Termes clés

Architecture: il s’agit de la structure générale inhérente à un système informatique, l’organisation des différents éléments du système (logiciels et/ou matériels et/ou humains et/ou informations) et des relations entre les éléments.

Architecture de l’ordinateur : il s’agit de l’ensemble de l’organisation matérielle, logicielle et des relations entre les éléments de cet ordinateur

Processeur : c’est un circuit électronique complexe qui exécute chaque instruction très rapidement, en quelques cycles d’horloges

La mémoire : composante fondamentale des ordinateurs, joue un rôle important dans leur fonctionnement interne.

La mémoire est d’un dispositif qui permet à un ordinateur d’emmagasiner de l’information. C’est l’endroit où le

microprocesseur

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enregistre temporairement les instructions et les données des programmes qu’il exécute.

Après le microprocesseur, la mémoire est sans doute le composant le plus important dans un ordinateur : c’est l’espace de travail du microprocesseur.

LSI (Large-Scale Intégration) : intégration à grande échelle, des circuits comportant de 1 000 à 10 000 composants.

VLSI (Very-Large-Scale Integration) : intégration à très grande échelle. La technologie VLSI a succédé

naturellement à la LSI

Activités d’apprentissage

Activité 1.1. – Aperçu historique de l’ordinateur numérique Introduction

Du point de vue historique, l’évolution du traitement automatique de l’information peut être subdivisée en deux grandes ères : l’ère mécanographique et l’ère électronique.

Activité 1.1.1- L’ère mécanographique

L’ère mécanographique (1623 – 1945) correspond à l’ère de la machine mécanique et électromécanique.

Le tableau ci-dessous donne les dates marquantes de cette ère

Les deux premières machines sont représentatives des premiers calculateurs. Ils sont apparus dès le début du 17ème siècle et répondent au souci de mise en œuvre d’outils capables d’effectuer automatiquement les quatre opérations arithmétiques.

Le fonctionnement des premiers calculateurs est basé sur un système mécanique d’engrenages (roues dentées).

Par la suite, les travaux de Babbage vont faire effectuer un saut qualitatif à

l’automatisation des calculs à travers l’introduction de la notion de machine universelle (capable de calculer n’importe quelle fonction mathématique) et surtout d’un

mécanisme de contrôle automatique sous la forme d’un programme enregistré. Pour diverses raisons, il n’a pu mener à bien la construction des machines qu’il préconisait.

Après Babbage, l’idée de réaliser une machine universelle fut abandonnée pour

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Tableau 1.1 : dates marquantes de l’ère mécanographique

Date Inventeur : machine

Possibilités Innovations technologiques

1642 Pascal : Addition Report automatique,

représentation de nombre < 0 Soustraction

1671 Leibniz : Addition, Soustraction Mécanisme pour la multiplication et la division Multiplication, Division

1827 Babbage : Évaluation polynomiale par la méthode des différences finies

Enchaînement automatique d’opérations

Difference Engine

1834 Babbage : Usage universel Mécanisme de contrôle automatique (programme enregistré)

Analytical Engine

1941 Zuse : Z3 Usage universel Premières machines

électromécaniques 1944 Aiken : Harvard

Mark I

N’être reprise qu’à partir des années 1930 avec l’émergence des machines électromécaniques. Entre-temps, au 19ème siècle, sont apparus les premiers

calculateurs commerciaux suite à différentes améliorations apportées aux calculateurs mécaniques : utilisation de roues entraînées par des moteurs électriques, introduction de touches pour entrer les données et les commandes, etc. A ce titre, l’américain Hollerith a réalisé en 1880 le premier ensemble mécanographique (fondé sur les idées de Babbage). Celui-ci fut utilisé pour le dépouillement du recensement démographique des U.S.A. en 1890. Il créa une société qui, après différentes restructurations, devint la société LB.M. (International Business Machines) à partir de 1924.

Quelques années plus tard, l’idée de machine à vocation universelle revenait à l’ordre du jour et conduisait l’allemand Zuse et l’Américain Aïken à construire indépendamment deux machines (Z3 et Havard Mark 1).

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Activité 1.1.2. - L’ère électronique

L’avènement de l’ère électronique (1946 - …) résulte des recherches entreprises en vue de pallier aux deux inconvénients majeurs des machines électromécaniques :

• Limitation de la vitesse de traitement à cause de l’inertie des parties mobiles ;

• Lourdeur de manipulation et manque de fiabilité

L’ère électronique est décomposée en un certain nombre de générations d’ordinateurs.

Chacune de ces générations correspond à des modifications notables au niveau de la technologie de conception des ordinateurs.

A titre indicatif, on a les générations suivantes :

A. La première génération d’ordinateurs (1946 -1954) : les calculateurs à tube

Caractéristiques principales:

- lampes (ou tubes) à vide : utilisation du courant électrique pour transmettre l’information à des vitesses proches de celle de la lumière;

- fils câblés à la main;

- programmes écrits en langage machine (binaire);

- temps d’exécution en millièmes de seconde.

Dates importantes :

1946 : achèvement de la construction de l’ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator). Elle est généralement considérée comme le premier

ordinateur électronique. Elle fut réalisée sous la conduite de J. Mauchly et J. P. Eckert à l’université de Pennsylvanie et était destinée au calcul de la trajectoire des obus.

Ses caractéristiques sont les suivantes:

Poids: 30 tonnes.

Consommation électrique: autant que plusieurs rames de métro Encombrement: une maison entière.

Coût : de l’ordre de 2.800.000 $.

Performance: 5000 additions ou 3000 opérations diverses par seconde.

Mode de programmation: manuelle à l’aide de “switchs”.

Base de travail: manipulation de nombre en base 10.

1945 : le mathématicien J. Von Neumann proposa le concept consistant à stocker

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les programmes et les données dans une même unité mémoire (la mémoire centrale).

Cela a permis de réaliser la synthèse entre machine à programme figé et machine à programme enregistré. Cette idée fut utilisée lors de la construction de I’E.D.V.A.C.

(Electronic Discrete Variable Computer) qui devint opérationnel en 1951. La plupart des ordinateurs actuels fonctionnent selon ce principe car il facilite le travail de programmation et rend possible la modification d’un programme par lui-même.

B. La deuxième génération d’ordinateurs (1955 -1964) : les calculateurs à transistors

Caractéristiques principales:

- remplacement progressif des tubes à vide par les transistors;

- utilisation de tores magnétiques et de tambours magnétiques (à la place des tubes à rayons cathodiques et des lignes à retard) pour réaliser la mémoire centrale;

- programmes écrits en langage symbolique (assembleur) ; - temps d’exécution en microsecondes (10-6 sec.) ;

Exemple de machine typique de cette époque: l’IBM 7094.

C. La troisième génération d’ordinateurs (1965 -1977) : apparition de la puce ou circuits intégrés

Cette génération d’ordinateur a vu le jour avec l’apparition des circuits intégrés ou combinaisons de transistors à l’intérieur d’une pastille de silicium appelée une “puce”.

L’invention de la puce permit l’avènement de la micro-électronique.

Caractéristiques principales:

- utilisation de circuits intégrés (SSI : Small Scale Integration et MSI : Medium Scale Integration)

- apparition des langages de haut-niveau (Algol, COBOL, Fortran) ; - temps d’exécution en nanosecondes (10-9 sec.) ;

- traitement à distance;

- apparition des mini-ordinateurs.

Exemple de machine typique de cette génération : le mini-ordinateur PDP-8 de EC.

D. Quatrième génération d’ordinateur (1978 - ) : les microprocesseurs

Cette génération a consisté à la possibilité d’intégrer tous les composants d’un calculateur sur une puce miniaturisée appelée microprocesseur.

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Caractéristiques principales:

- technologies LSI (Large-Scale Intégration) et VLSI (Very-Large-Scale Integration) - mémoire électronique;

- temps d’exécution en fraction de nanosecondes ; - micro-ordinateurs

- généralisation de techniques de traitement parallèle (multiprogrammation, multitraitement, pipeline etc.) ;

- réseaux d’ordinateur.

Exemple de machine typique de cette génération le micro-ordinateur^{PC d’IBM}

Conclusion

Nous sommes actuellement dans la quatrième génération en attendant la nouvelle ère qui sera peut-être celle de l’optique.

Évaluation formative

1) Du point de vue historique, donner les deux grandes ères de l’évolution du traitement automatique de l’information

2) Donner les caractéristiques des ordinateurs de la première génération 3) Donner les caractéristiques des ordinateurs de la deuxième génération 4) Donner les caractéristiques des ordinateurs de la troisième génération 5) Donner les caractéristiques des ordinateurs de la quatrième génération

Barème de notation

Chaque question est notée sur 2 points.

Activité 1.2. – Architecture de Von Neumann

Introduction

Architecture Von Neumann est un modèle pour un ordinateur qui utilise une structure de stockage unique pour conserver à la fois les instructions et les données demandées ou produites par le calcul. De telles machines sont aussi connues sous le nom d’ordinateur à programme enregistré.

Activité 1.2.1.- Structure de l’architecture de Von Neumann

L’architecture de Von Neumann décompose l’ordinateur en quatre (04) parties distinctes : 1. l’unité arithmétique et logique (UAL) ou unité de traitement : son rôle est d’effectuer les

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opérations de base ;

2. l’unité de contrôle, chargée du « séquençage » des opérations ;

3. la mémoire qui contient à la fois les données et le programme qui indiquera à l’unité de contrôle quels sont les calculs à faire sur ces données. La mémoire se divise entre mémoire volatile (programmes et données en cours de fonctionnement) et mémoire permanente (programmes et données de base de la machine) ;

4.les dispositifs d’entrée-sortie, qui permettent de communiquer avec le monde extérieur.

Le modèle de l’architecture de Von Neumann est une architecture novatrice :

● La première innovation est la séparation nette entre l’unité de commande, qui organise le flot de séquencement des instructions, et l’unité arithmétique, chargée de l’exécution proprement dite de ces instructions.

● La seconde innovation, la plus fondamentale, est l’idée du programme enregistré : les instructions, au lieu d’être codées sur un support externe (ruban, cartes, tableau de connexions), sont enregistrées dans la mémoire selon un codage conventionnel. Un compteur ordinal contient l’adresse de l’instruction en cours d’exécution ; il est automatiquement incrémenté après exécution de l’instruction, et explicitement modifié par les instructions de branchement.

Figure 1.1 : Le modèle originel de Von Neumann pour l’architecture des ordinateurs.

Source : https://interstices.info/upload/modele-neumann/modele-originel2.gif Actuellement le modèle originel de Von Neumann a subi deux évolutions :

● Les entrées-sorties, initialement commandées par l’unité centrale, sont depuis le début des années 1960 sous le contrôle de processeurs autonomes (canaux d’entrée-sortie et mécanismes assimilés). Associée à la multiprogrammation (partage de la mémoire entre plusieurs programmes), cette organisation a notamment permis le développement des systèmes en temps partagé.

● Les ordinateurs comportent maintenant des processeurs multiples, qu’il s’agisse d’unités séparées ou de « cœurs » multiples à l’intérieur d’une même puce. Cette organisation permet d’atteindre une puissance globale de calcul élevée sans augmenter la vitesse des processeurs individuels, limitée par les capacités d’évacuation de la chaleur dans des circuits de plus en plus denses.

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Ces deux évolutions ont pour conséquence de mettre la mémoire, plutôt que l’unité centrale, au centre de l’ordinateur, et d’augmenter le degré de parallélisme dans le traitement et la circulation de l’information. Mais elles ne remettent pas en cause les principes de base que sont la séparation entre traitement et commande et la notion de programme enregistré.

Figure 1.2 : le modèle de Von Neumann, actuel

Source : https://interstices.info/upload/modele-neumann/modele-actuel.gif Activité 1.2.2- Les composants de l’ordinateur

Introduction

Le traitement de l’information par l’ordinateur nécessite la coopération de plusieurs éléments.

Au niveau de l’ordinateur, on distingue deux parties:

- Une partie matérielle (Hardware): elle renvoie à la construction physique de la machine, - Une partie logicielle (Software): elle est constituée de l’ensemble des programmes pouvant

être un programme d’application ou un programme de pilotage ou de base.

Les composants physique de l’ordinateur

La partie matérielle (Hardware) est composée en général: d’une unité centrale et de différents périphériques

Dans le boîtier (unité centrale) est monté une carte- mère où sont implantés les lignes du bus et les principaux circuits électroniques : processeur, chipset, RAM, ROM, connecteurs et câble de liaisons, les cartes contrôleurs et sorties des différents périphériques.

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Figure 1.3 : Structure d’un ordinateur

Source : http://www.cslaval.qc.ca/tic/alsesl/rreals/montage/Formation/informat/cours/Histoire/

structure.gif La carte mère

La carte mère (en anglais « mainboard» ou « motherboard ») est le socle permettant la connexion de l’ensemble des éléments essentiels de l’ordinateur.

La carte mère est une carte maîtresse, prenant la forme d’un grand circuit imprimé possédant notamment des connecteurs pour les cartes d’extension, les barrettes de mémoires, le processeur, etc.

Figure 1.4 : Modèle de carte mère

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Source : http://img.clubic.com/00046467-photo-description-d-une-carte-mere.jpg

Caractéristiques d’une carte mère

Il existe plusieurs façons de caractériser une carte mère, notamment selon les caractéristiques suivantes :

- Le facteur d’encombrement ou facteur de forme: définit la géométrie, les dimensions, l’agencement et les caractéristiques électriques de la carte mère.

- Le chipset: circuit électronique chargé de coordonner les échanges de données entre les divers composants de l’ordinateur (processeur, mémoire...).

- Le type de support de processeur: On distingue deux catégories de supports : → Slot (en français fente) : il s’agit d’un connecteur rectangulaire dans lequel on enfiche le processeur verticalement

→Socket (en français embase) : il s’agit d’un connecteur carré possédant un grand nombre de petits connecteurs sur lequel le processeur vient directement s’enficher

- Les connecteurs de mémoire vive

-Les connecteurs d’extension sont des réceptacles dans lesquels il est possible d’insérer des cartes d’extension, c’est-à-dire des cartes offrant de nouvelles fonctionnalités ou de meilleures performances à l’ordinateur. Il existe plusieurs sortes de connecteurs

- Les connecteurs d’entrée-sortie: La carte mère possède un certain nombre de connecteurs d’entrées-sorties regroupés sur le « panneau arrière ».

La plupart des cartes mères proposent les connecteurs suivants : - Port série, permettant de connecter de vieux périphériques ;

- Port parallèle, permettant notamment de connecter de vieilles imprimantes ; - Ports USB (1.1, bas débit, ou 2.0, haut débit), permettant de connecter des

périphériques plus récents ;

- Connecteur RJ45 (appelés LAN ou port Ethernet) permettant de connecter l’ordinateur à un réseau. Il correspond à une carte réseau intégrée à la carte mère.

- Connecteur VGA (appelé SUB-D15), permettant de connecter un écran. Ce connecteur correspond à la carte graphique intégrée ;

- Prises audio (entrée Line-In, sortie Line-Out et microphone), permettant de connecter des enceintes acoustiques ou une chaîne hi-fi, ainsi qu’un microphone.

Ce connecteur correspond à la carte son intégrée.

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Figure 1.5 : Vue arrière du PC - branchement des périphériques

Source http://www.memoireonline.com/05/12/5884/Conception-et-creation-d-une-application- interactive-du-cours-de-structure-et-fonctionnement-des-or5.png

Le processeur

Le processeur est un circuit électronique complexe qui exécute chaque instruction très rapidement, en quelques cycles d’horloges.

Toute l’activité de l’ordinateur est cadencée par une horloge unique, de façon à ce que tous les circuits électroniques travaillent ensembles.

La fréquence de cette horloge s’exprime en MHz ou GHz.

Pour chaque instruction, le processeur effectue schématiquement les opérations suivantes:

1. Lire en mémoire l’instruction à exécuter ; 2. Effectuer le traitement correspondant ; 3. Passer à l’instruction suivante.

Le processeur est divisé en deux parties qui sont l’unité de commande et l’unité de traitement.

– L’unité de commande est responsable de la lecture en mémoire et du décodage des instructions ;

– L’unité de traitement, aussi appelée Unité Arithmétique et Logique (U.A.L.), exécute les instructions qui manipulent les données.

Le processeur est parfois appelé CPU (Central Processing Unit) ou encore MPU (Micro- Processing Unit) pour les microprocesseurs.

Un microprocesseur n’est rien d’autre qu’un processeur dont tous les constituants sont réunis sur la même puce électronique, afin de réduire les coûts de fabrication et d’augmenter la vitesse de traitement.

Les microordinateurs sont tous équipés de microprocesseurs.

La mémoire principale

La mémoire principale permet le stockage de l’information (programmes et données)

La mémoire est divisée en emplacements de taille fixe (par exemple 8 bits) utilisés pour stocker les instructions et les données.

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En principe, la taille d’un emplacement mémoire pourrait être quelconque ; en fait, la plupart des ordinateurs en service aujourd’hui utilisent des emplacements mémoire d’un octet (unité pratique pour coder un caractère).

Dans une mémoire de taille N, on a N emplacements mémoires, numérotés de 0 à N-1.

Chaque emplacement est repéré par son numéro, appelé adresse. L’adresse est le plus souvent écrite en hexadécimal.

La capacité (taille) de la mémoire est le nombre d’emplacements, exprimé en général en kilo- octets ou en méga-octets, voire davantage.

1 KO (Kilo-octet) 210 = 1024 octets

1 MO (Méga-octet) 220 = 1048 576 octets 1 GO (Giga-octet) 230 = 1 073 741 824 octets 1 TO (Téra-octet) 240 = 1 099 511 627 776 octets

Operations sur la mémoire

Seul le processeur peut modifier l’état de la mémoire.

Chaque emplacement mémoire conserve les informations que le processeur y écrit jusqu’à coupure de l’alimentation électrique, où tout le contenu est perdu (contrairement au contenu des mémoires externes comme les disquettes et disques durs).

Les seules opérations possibles sur la mémoire sont :

– Ecriture d’un emplacement: le processeur donne une valeur et une adresse, et la mémoire range la valeur à l’emplacement indiqué par l’adresse ;

– Lecture d’un emplacement: le processeur demande à la mémoire la valeur contenue à l’emplacement dont il indique l’adresse. Le contenu de l’emplacement lu reste inchangé.

Les bus

Les bus ont pour but de réduire le nombre de « voies » nécessaires à la communication des différents composants, en mutualisant les communications sur une seule voie de données.

Caractéristiques d’un bus

Un bus est caractérisé par le volume d’informations transmises simultanément. Ce volume, exprimé en bits, correspond au nombre de lignes physiques sur lesquelles les données sont envoyées de manière simultanée.Une nappe de 32 fils permet ainsi de transmettre 32 bits en parallèle. On parle ainsi de « largeur » pour désigner le nombre de bits qu’un bus peut transmettre simultanément. D’autre part, la vitesse du bus est également définie par sa fréquence (exprimée en Hertz), c’est-à-dire le nombre de paquets de données envoyés ou reçus par seconde.

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Les Périphériques

Saisie ou d’entrées: clavier, CD et DVD, scanner, tablette à digitaliser, sonde, écran tactile, appareils photos numériques, Webcam etc.

Sortie: écran, imprimante, vidéoprojecteur etc.

Stockage: Lecteur de disquettes, clef USB Disque dur, streamer, disque optique, CD ROM et DVD etc.

De jeux: joystick (manettes de jeux).

Pointage: souris, crayon optique écran tactile.

Figure 1.6 : Les périphériques de l’ordinateur

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Figure 1.7 : Vue d’ensemble des pièces et périphériques de l’ordinateur

Partie logicielle d’un ordinateur

Logiciel = Programme ou ensemble de programmes informatiques assurant un traitement particulier de l’information.

Les logiciels constituent la partie intellectuelle de l’ordinateur.

Les programmes permettent l’utilisation de l’ordinateur pour une tâche précise. Ils ne sont pas palpables mais visibles (à l’écran, sur l’imprimante). Ils sont abstraits, ils sont une partie essentielle des systèmes de traitements des informations. Lorsque l’on utilise un ordinateur, on utilise en fait un programme.

Dès le démarrage plusieurs programmes (logiciels) sont automatiquement exécutés. Ils ne sont pas tous égaux, on distingue 3 catégories de programmes à savoir :

- Le BIOS (Basic Input Output System) : C’est le premier programme qui s’exécute lors du démarrage de l’ordinateur. Il identifie les différents composants de la machine et vérifie leur bon fonctionnement. Il permet à l’utilisateur de configurer certains périphériques. Le BIOS propose (au système d’exploitation) des

“fonctions” bas niveau pour utiliser ces périphériques. Il ne peut pas être remplacé (on peut toutefois le faire évoluer).

- Le système d’exploitation : C’est l’ensemble des programmes relatifs à l’exploitation de l’ordinateur. C’est le second programme à être exécuté lors du démarrage de l’ordinateur, c’est le chef d’orchestre, c’est lui qui détermine: quel programme utilisateur va être exécuté, comment répartir la mémoire entre les différents programmes, comment lire/enregistrer les données sur les mémoires de masse, les droits de chaque utilisateur du système.

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- Les programmes utilisateurs : ils servent au développement des applications.

Conclusion

Cette activité a consisté à la description du modèle Von Neumann. Elle a permis d’apprendre que l’ordinateur est composé d’une partie matérielle (hardware) et d’une partie logicielle (software). Vous avez appris aussi à propos des éléments constitutifs de chaque partie d’un ordinateur et le rôle de chaque élément. A présent, vous êtes capable de distinguer les différents de l’ordinateur et le rôle qu’il joue.

Évaluation formative

1. Qu’est-ce que l’architecture Von Neumann ?

2. Donner les différentes parties qui composent un ordinateur de type Von Neumann.

3. Spécifier ce qu’est une carte mère

4. Donner les principales caractéristiques d’une carte mère.

5. Qu’est-ce qu’un processeur ? Quel est son rôle ?

6. Donner les différentes parties d’un processeur et le rôle de chaque partie.

Activité 1.3. – Architecture de la mémoire

Introduction

Chaque ordinateur dispose d’une mémoire permettant le stockage des données. La mémoire de l’ordinateur est l’espace de stockage dans l’ordinateur où les données et les instructions doivent être traitées sauvegardées puis traitées. La mémoire est divisée en un certain nombre de petites parties appelées cellules. Chaque emplacement ou cellule a une adresse unique qui varie de zéro à la taille de mémoire moins un.

Activité 1.3.1 - Caractéristiques techniques d’une mémoire Les principales caractéristiques d’une mémoire sont les suivantes :

- La capacité, représentant le volume global d’informations (en bits) que la mémoire peut stocker ;

- Le temps d’accès, correspondant à l’intervalle de temps entre la demande de lecture/écriture et la disponibilité de la donnée ;

- Le temps de cycle, représentant l’intervalle de temps minimum entre deux accès successifs ;

- Le débit, définissant le volume d’information échangé par unité de temps, exprimé en bits par seconde ;

- La non volatilité caractérisant l’aptitude d’une mémoire à conserver les données lorsqu’elle n’est plus alimentée électriquement.

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Ainsi, la mémoire idéale possède une grande capacité avec des temps d’accès et temps de cycle très restreints, un débit élevé et est non volatile

Activité 1.3.2 - Mode d’accès aux données en mémoire

On distingue généralement deux modes d’accès aux données stockées en mémoire : – L’accès aléatoire ou accès direct, qui consiste à aller chercher l’information

directement où elle est enregistrée, comme quand on va retirer le courrier dans un casier postal au bureau de poste.

– L’accès séquentiel, qui consiste à traiter les informations dans l’ordre où elles apparaissent sur le support (bandes).

Le lecteur physique avance avec la lecture et se positionne au début de l’enregistrement suivant. L’accès séquentiel est similaire à la recherche d’une chanson sur une cassette de musique. Pour écouter la troisième chanson, il faut dérouler la bande jusqu’à ce qu’on la trouve. Cette méthode est plus lente que la première, mais c’est celle que l’on retrouve dans les unités de sauvegarde sur bandes magnétiques (tape backup).

Activité 1.3.3 -Hiérarchie des mémoires

Les différents types de mémoires sont caractérisés par un temps d’accès et une capacité caractéristiques. Plus l’on s’éloigne du processeur, plus la capacité et le temps d’accès augmentent.

On distingue différents niveaux hiérarchiques pour les mémoires:

• Les registres du processeur

• La mémoire cache

• La mémoire primaire ou mémoire principale

• La mémoire secondaire

Les registres sont des petites mémoires internes très rapides d’accès utilisées par le

microprocesseur pour stocker temporairement une donnée, une instruction ou une adresse.

Chaque registre stocke 8, 16, 32 ou 64 bits. Le nombre exact de registres dépend du type de processeur et varie typiquement entre une dizaine et une centaine.

La mémoire cache est une mémoire très rapide d’accès pour le microprocesseur. Il agit comme un tampon entre le processeur et la mémoire principale. Il est utilisé pour maintenir les parties de données et programmes qui sont le plus fréquemment utilisé par les CPU. Les parties de données et les programmes sont transférés du disque vers la mémoire cache par le système d’exploitation. Les données stockées dans un cache pourraient être les résultats d’un calcul plus tôt, ou les doublons de données stockées ailleurs.

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Avantages de la mémoire cache

• Elle est très rapide d’accès plus que la mémoire principale.

• Elle consomme moins de temps d’accès par rapport à .la mémoire

• Elle stocke du programme qui peut être exécuté dans un temps court:...

• Elle stocke les données pour une utilisation temporaire Inconvénients de la mémoire cache

• Elle a une capacité limitée

• Elle est très coûteuse

Figure 1.8 : Exemple de mémoire cache

La mémoire principale (mémoire primaire), contient les données et les instructions en cours d’utilisation. Elle a une capacité limitée et les données sont perdues lorsque l’alimentation est coupée. Elle est généralement constituée d’un dispositif à semi-conducteur. La mémoire principale est moins rapide par rapport aux registres et à la mémoire cache. Les données et les instructions nécessaires pour les traitements résident en mémoire principale. Elle est divisée en deux sous-catégories à savoir la RAM et la ROM.

Figure 1.9 : Exemple de mémoire principale

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Caractéristiques de la mémoire principale

• Ce sont des mémoires à semi-conducteurs

• Elle est utilisée comme mémoire principale et mémoire de travail de l’ordinateur.

• Habituellement c’est une mémoire volatile, son contenu est perdu dès qu’on éteint l’ordinateur.

• Elle est plus rapide que les mémoires secondaires.

• Un ordinateur ne peut pas fonctionner sans mémoire primaire.

Les mémoires secondaires ou mémoires auxiliaires ou encore mémoires de masse, sont des périphériques permettant de stocker et de retrouver de l’information de manière durable : l’information est conservée même en l’absence d’alimentation électrique, contrairement à ce qui se passe pour la mémoire principale (RAM).

Les mémoires secondaires ont généralement une capacité stockage plus importante que les mémoires principales.

Parmi les mémoires secondaires les plus courantes, on distingue les disquettes et les disques durs, basés sur un enregistrement magnétique, les CD-ROM, utilisant une lecture optique, et divers types de bandes magnétiques.

Figure 1.10 : Illustration des hiérarchies des mémoires

Activité 1.3.4 – Les types de mémoire

On distingue principalement trois types de mémoire:

• La mémoire vive ou RAM (Random Access Memory)

• La mémoire morte ou ROM (Read Only Memory)

• La mémoire Flash

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La mémoire vive ou RAM

La mémoire vive, généralement appelée RAM (Random Access Memory), est la mémoire du système permettant de stocker de manière temporaire des données lors de l’exécution d’un programme. La RAM est la mémoire interne de la CPU pour stocker des données, le programme et le résultat du programme. C’est une mémoire volatile, c’est-à-dire qu’elle permet uniquement de stocker des données tant qu’elle est alimentée électriquement. Ainsi, à chaque fois que l’ordinateur est éteint, toutes les données présentes en mémoire sont irrémédiablement effacées.

Les données de la RAM sont accessibles de façon aléatoire.

La RAM est faible, tant en termes de sa taille physique et la quantité de données qu’il peut contenir source.

On distingue deux types de RAM:

• La RAM statique (SRAM)

• La RAM dynamique (DRAM)

Static RAM (SRAM)

Le terme statique indique que la mémoire conserve son contenu aussi longtemps que l’alimentation est fournie. Cependant, les données sont perdues lorsque l’alimentation n’est plus fournie en raison de la nature volatile.

Les puces SRAM utilisent une matrice de transistors et pas de condensateurs. Les transistors ne nécessitent pas d’alimentation pour éviter les fuites, la SRAM n’a pas besoin d’être rafraîchie régulièrement.

En raison de l’espace supplémentaire dans la matrice, la SRAM utilise plus de jetons que DRAM pour la même quantité d’espace de stockage, rendant ainsi les coûts de fabrication plus élevé. Donc SRAM est utilisée comme mémoire cache et dispose d’un accès très rapide.

Caractéristique de la RAM statique

• Longue durée de vie

• Pas de nécessité de rafraîchir

• Rapide

• Utilisé comme mémoire cache

• Grande taille

• Coûteuse

• Forte consommation d’énergie

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Dynamic RAM (DRAM)

La DRAM, contrairement à la SRAM, doit être constamment rafraîchie afin de maintenir les données. Ceci se fait en plaçant la mémoire sur un circuit de rafraîchissement qui réécrit les données de plusieurs centaines de fois par seconde. La DRAM est utilisée pour plus de mémoire système, car il est petit et pas cher. Tous les DRAM sont constitués de cellules de mémoire qui sont composées d’un condensateur et un transistor.

Caractéristiques de la RAM dynamique

• Courte durée de vie des données

• Nécessité de rafraichissement en permanence

• Lent par rapport à SRAM

• Utilisé comme RAM

• Petite taille

• Moins coûteuse

• Moins de consommation d’énergie

Figure 1.11 : Exemple de mémoire RAM : barrette de mémoire PC

Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9moire_vive La mémoire morte ou ROM

La mémoire morte, appelée ROM pour Read Only Memory est un type de mémoire permettant de conserver les informations qui y sont contenues même lorsque la mémoire n’est plus alimentée électriquement.

La ROM est une mémoire à partir de laquelle nous pouvons seulement lire, mais ne pouvons pas écrire sur elle. Ce type de mémoire est non volatile. L’information est stockée en

permanence dans ces mémoires pendant la fabrication.

(40)

● Mémoire non-volatile

● Elle ne peut pas être accidentellement changée

● Moins cher que RAM

● Facile à tester

● plus fiable que RAM

● mémoire statique et n’a pas besoin d’être rafraichie

● Son contenu est toujours connu et peuvent être vérifié

La mémoire Flash ou PROM (Programmable Read Only Memory)

La mémoire Flash ou PROM (Programmable Read Only Memory) est une mémoire morte programmable. Elle est un compromis entre les mémoires de type RAM et les mémoires mortes. En effet, la mémoire Flash possède la non-volatilité des mémoires mortes tout en pouvant facilement être accessible en lecture ou en écriture.

En contrepartie les temps d’accès des mémoires flash sont plus importants que ceux de la mémoire vive.

On distingue :

EPROM (Erasable Read Only Memory)

La mémoire EPROM peut être effacée en l’exposant à la lumière ultra-violet pour une durée allant jusqu’à 40 minutes. Lors de la programmation, une charge électrique est piégée dans une région de grille isolée. La charge est conservée pendant plus de dix ans parce que la charge n’a pas de chemin de fuite. Pour effacer cette charge, la lumière ultra-violet est passée à travers une fenêtre de cristal de quartz (couvercle). Cette exposition à la lumière ultra-violet dissipe la charge. Pendant l’utilisation normale du couvercle le quartz est scellé avec un autocollant.

EEPROM (Electrically Erasable Read Only Memory)

La mémoire EEPROM est programmable et effaçable électriquement. Elle peut être effacée et reprogrammée environ dix mille fois. Dans EEPROM, tout espace peut être effacé et programmé de façon sélective. EEPROM peuvent être effacée d’un octet à la fois, plutôt que de l’effacement de la puce entière. Par conséquent, le processus de reprogrammation est flexible, mais lent.

Conclusion

Cette unité vous a permis d’apprendre à propos des principes de fonctionnement de la mémoire principale et de décrire ses principales caractéristiques. Dans cette unité, nous avons parlé aussi des technologies des mémoires, des types de mémoire et la hiérarchie entre les mémoires.

(41)

Évaluation formative

1. Qu’est que la mémoire morte ?

2. Quels sont les avantages d’une mémoire morte ? 3. Qu’est-ce que la mémoire vive ?

4. Donner les avantages et les inconvénients de la mémoire cache.

5. Classer par ordre de temps d’accès décroissant les unités mémoires suivantes Disque dur, Mémoire centrale, Registre, Clé USB

6. Donner les caractéristiques de la mémoire principale

Résumé de l’unité

Dans cette unité, vous avez appris à connaitre les composants de l’ordinateur. Il vous a permis de pouvoir expliquer comment les éléments de l’ordinateur coopèrent ensemble pour traiter l’information de façon automatique. L’unité vous a permis de distinguer les composants physiques ou matériels de l’ordinateur et les composants logiciels.

Nous avons abordé dans cette unité, l’architecture de la mémoire, ce qui a permis de connaître les technologies de la mémoire, leur hiérarchie et les types de mémoire

Évaluation de l’unité

Évaluation sommative

1.Explicitez les notions et expressions suivantes :

• Architecture d’un ordinateur

• Microprocesseur

• Système d’exploitation

2.Explicitez le modèle de l’architecture de Von Neumann

3.Quelles sont les innovations du modèle de l’architecture de Von Neumann ? 4.Donnez les caractéristiques d’une carte mère

5.Qu’est-ce qu’un processeur ?

6.Quelle est la principale caractéristique d’un processeur ?

7.Donner de façon schématique le processus de traitement des instructions par le processeur.

8.Quelles sont les principales caractéristiques d’une mémoire ?

9. Quelle différence fondamentale faites-vous entre la RAM statique et les RAM dynamique ? 10. Spécifier les modes d’accès aux différentes mémoires.

(42)

Barème de notation

Les notes seront attribuées comme indiqué ci-dessous

question Sous-question Notes accordées

1 chaque terme sera noté 1 point 3

2 1

3 2

4 3

5 1

6 1

7 2

8 3

9 2

10 2

Total 20

Lectures et autres ressources

D. Patterson, J. Hennessy. Organisation et conception des ordinateurs. Dunod 94 Traduction de Computer Organization and Design : The Harware/Software Interface, Morgan-Kauffman 94.

Chapitre 1

http://perso.ens-lyon.fr/frederic.vivien/Enseignement/Archi-2001-2002/Cours.pdf http://www.insea.ma/download/coursarchi.pdf

https://www.lri.fr/~cecile/ENSEIGNEMENT/IFIPS/IFIPSA/Cours/IFIPAppPolyP1.pdf https://www.lri.fr/~cecile/ENSEIGNEMENT/POLYARCHI/partie1.pdf

https://www.lri.fr/~de/PolyarchiCGDE1.pdf

http://www.unit.eu/nuxeo/site/esupversions/9881e32d-8ff0-4d71-8810-6d5263ece714 https://interstices.info/jcms/int_64540/le-modele-darchitecture-de-von-neumann https://fr.wikipedia.org/wiki/Hiérarchie_de_mémoire

http://pagesperso-orange.fr/fabrice.sincere

(43)

Unité 2. Logique numérique et représentation des données

Introduction à l’unité

Tous les circuits numériques fonctionnent en mode binaire, c’est-à-dire un mode dans lequel les signaux ne peuvent prendre que deux valeurs, soit ’0’ ou soit ’1’. Les valeurs ’0’ et ’1’

correspondent à des plages de tensions définies à l’avance. Cette caractéristique des circuits logiques nous permet de recourir à l’algèbre de Boole pour l’analyse et la conception de systèmes numériques. Dans ce chapitre, nous étudierons les portes logiques, qui constituent les blocs élémentaires des circuits logiques et nous verrons comment il est possible de décrire leur fonctionnement grâce à l’algèbre booléenne.

Objectifs de l’unité

● Démontrer une bonne connaissance de la structure des structures d’interconnexion de calcul de bases

● Identifier et analyser les symboles de grille pour les opérations booléennes ET, OU, NON et XOR booléennes...:

● Construire une table de vérité avec le comportement d’entrée / de sortie de chaque porte

● Dessiner et expliquer porte logique pour différentes opérations

● Faire des conversions en binaire, octal et hexadécimal

Termes clés

Variable booléenne: C’est une grandeur qui peut, à des moments différents, avoir la valeur 1 ou 0. Les variables booléennes servent souvent à représenter un état d’un système

État logique : les valeurs booléennes 0 et 1 ne représentent pas des nombres réels mais plutôt l’état logique d’une variable

Variable logique : C’est une grandeur qui ne peut prendre que les deux états logiques. Ils s’excluent mutuellement.

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Fonction logique : C’est une variable logique dont la valeur dépend d’autres variables

Circuit logique (ou circuit combinatoire) : C’est un ensemble de portes logiques reliées entre elles pour

répondre à une expression algébrique

Activités d’apprentissage

Activité 2.1. – Introduction à la logique numérique

Introduction

Les objets considérés à ce niveau sont les portes logiques, chacune construite à partir de quelques transistors. Chaque porte prend en entrée des signaux numériques (0 ou 1) et calcule en sortie une fonction logique simple (ET, OU, NON)

De petits assemblages de portes peuvent servir à réaliser des fonctions logiques telles que mémoire, additionneur, ainsi que la logique de contrôle de l’ordinateur.

Circuits logiques

Un circuit logique est un circuit qui ne manipule que deux valeurs logiques : 0 et 1

À l’intérieur des circuits, on représente typiquement un état 0 par un signal de basse tension (proche de 0V) et un état 1 par un signal de haute tension (5V, 3,3V, 2,5V, 1,8V ou 0,9V selon les technologies).

De minuscules dispositifs électroniques, appelées « portes », peuvent calculer différentes fonctions à partir de ces signaux

Portes logiques

Les portes logiques constituent les briques de base de la structure matérielle d’un ordinateur moderne. Ce sont des circuits électroniques élaborés à partir de composants primaires que sont les transistors. Elles ont un fonctionnement binaire : leurs entrées ainsi que leurs sorties ne peuvent présenter que deux états distincts représentés par deux valeurs de tension électrique généralement 0 V et 5 V.

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Portes logiques de base

Le concepteur a à sa disposition plusieurs types de porte qui réalisent les fonctions de base de la logique: ET, OU, NON, XOR (OU-exclusif), etc. Dans les schémas, ces portes sont matérialisées par les symboles suivants:

Sur ces schémas, A et B représentent les entrées des portes et out, la sortie.

Tables de vérité

Les tables de vérité permettent de décrire le fonctionnement des circuits logiques et partant de procéder à leur synthèse à partir des portes de base. La table de vérité fait connaître la réaction d’un circuit logique (sa valeur de sortie) aux diverses combinaisons de niveaux logiques appliqués aux entrées

Conclusion

Dans cette activité, nous avons vu comment les tables de vérité à base des portes logiques de base.

Évaluation formative

1. Vérifier les lois de distributivité et les lois de Morgan en donnant leurs tables de vérité

2. Dessiner le schéma correspondant à : s1= a+ (b.c) 3. Dessiner le schéma correspondant à : s2 = (a+b).(a+c) 4. Dessiner le schéma correspondant s1= a.(b + c)