Architecture des ordinateurs
Note de cours

1 GENERALITES 5
1.1 INTRODUCTION 5
1.2 QU'ENTEND-T-ON PAR ARCHITECTURE ? 5
1.3 QU'EST CE QU'UN MICROPROCESSEUR ? 5
1.4 RAPPELS 6
1.5 OU TROUVE-T-ON DES SYSTEMES A MICROPROCESSEUR ? 6
2 ARCHITECTURE DE BASE 7
2.1 MODELE DE VON NEUMANN 7
2.2 L'UNITE CENTRALE 7
2.3 LA MEMOIRE PRINCIPALE 7
2.4 LES INTERFACES D'ENTREES/SORTIES 8
2.5 LES BUS 8
2.6 DECODAGE D'ADRESSES 8
3 LES MEMOIRES 9
3.1 ORGANISATION D'UNE MEMOIRE 9
3.2 CARACTERISTIQUES D'UNE MEMOIRE 10
3.3 DIFFERENTS TYPES DE MEMOIRE 11
3.3.1 LES MEMOIRES VIVES (RAM) 11
3.3.1.1 Les RAM statiques 11
3.3.1.2 Les RAM dynamiques 11
3.3.1.3 Conclusions 12
3.3.2 LES MEMOIRES MORTES (ROM) 12
3.3.2.1 LA ROM 13
3.3.2.2 La PROM 13
3.3.2.3 L'EPROM ou UV-EPROM 14
3.3.2.4 L'EEPROM 14
3.3.2.5 La FLASH EPROM 15
3.4 CRITERES DE CHOIX D'UNE MEMOIRE 16
3.5 NOTION DE HIERARCHIE MEMOIRE 16
4 LE MICROPROCESSEUR 18
4.1 ARCHITECTURE DE BASE D'UN MICROPROCESSEUR 18
4.1.1 L'UNITE DE COMMANDE 18
4.1.2 L'UNITE DE TRAITEMENT 19
4.1.3 SCHEMA FONCTIONNEL 19
4.2 CYCLE D'EXECUTION D'UNE INSTRUCTION 20
4.3 JEU D'INSTRUCTIONS 22
4.3.1 DEFINITION 22
4.3.2 TYPE D'INSTRUCTIONS 22
4.3.3 CODAGE 22
4.3.4 MODE D'ADRESSAGE 22
4.3.5 TEMPS D'EXECUTION 22
4.4 LANGAGE DE PROGRAMMATION 23
4.5 PERFORMANCES D'UN MICROPROCESSEUR 23
4.6 NOTION D'ARCHITECTURE RISC ET CISC 24
4.6.1 L'ARCHITECTURE CISC 24
3
4.6.1.1 Pourquoi 24
4.6.1.2 Comment 24
4.6.2 L'ARCHITECTURE RISC 24
4.6.2.1 Pourquoi 24
4.6.2.2 Comment 24
4.6.3 COMPARAISON 25
4.7 AMELIORATIONS DE L'ARCHITECTURE DE BASE 25
4.7.1 ARCHITECTURE PIPELINE 25
4.7.1.1 Principe 25
4.7.1.2 Gain de performance 26
4.7.1.3 Problèmes 27
4.7.2 NOTION DE CACHE MEMOIRE 27
4.7.2.1 Problème posé 27
4.7.2.2 Principe 28
4.7.3 ARCHITECTURE SUPERSCALAIRE 29
4.7.4 ARCHITECTURE PIPELINE ET SUPERSCALAIRE 29
4.8 PROCESSEURS SPECIAUX 30
4.8.1 LE MICROCONTROLEUR 30
4.8.2 LE PROCESSEUR DE SIGNAL 30
4.9 EXEMPLES 30
4.9.1 AMD ATHLON : 30
4.9.2 INTEL PENTIUM III 31
5 LES ECHANGES DE DONNEES 33
5.1 L'INTERFACE D'ENTREE/SORTIE 33
5.1.1 ROLE 33
5.1.2 CONSTITUTION 33
5.2 TECHNIQUES D'ECHANGE DE DONNEES 34
5.2.1 ECHANGE PROGRAMME 34
5.2.1.1 Scrutation 34
5.2.1.2 Interruption 34
5.2.2 ECHANGE DIRECT AVEC LA MEMOIRE 35
5.3 TYPES DE LIAISONS 36
5.3.1 LIAISON PARALLELE 36
5.3.2 LIAISON SERIE 36
5.4 NOTION DE RESEAU 38
5.4.1 INTRODUCTION 38
5.4.2 LE MODELE OSI 39
5.4.3 CLASSIFICATION DES RESEAUX 40
5.4.4 TOPOLOGIE DES RESEAUX 41
6 UN EXEMPLE - LE PC 43
6.1 L'UNITE CENTRALE 43
6.1.1 LA CARTE MERE 43
6.1.2 LE MICROPROCESSEUR 46
6.1.3 LA MEMOIRE 48
6.1.4 LA CARTE VIDEO 49
6.1.4.1 Le GPU 50
6.1.4.2 La mémoire vidéo 50
6.1.4.3 Le RAMDAC 50
6.1.4.4 Les entrées/sorties vidéo 51
6.1.5 LES PERIPHERIQUES INTERNES DE STOCKAGE 51
6.1.5.1 Le disque dur 51
6.1.5.2 Les disques optiques


1 Généralités
1.1 Introduction
L'informatique, contraction d'information et automatique, est la science du traitement de
l'information. Apparue au milieu du 20ème siècle, elle a connu une évolution extrêmement rapide. A
sa motivation initiale qui était de faciliter et d'accélérer le calcul, se sont ajoutées de nombreuses
fonctionnalités, comme l'automatisation, le contrôle et la commande de processus, la communication
ou le partage de l'information.
Le cours d'architecture des systèmes à microprocesseurs expose les principes de base du
traitement programmé de l'information. La mise en oeuvre de ces systèmes s'appuie sur deux modes
de réalisation distincts, le matériel et le logiciel. Le matériel (hardware) correspond à l'aspect concret
du système : unité centrale, mémoire, organes d'entrées-sorties, etc... Le logiciel (software)
correspond à un ensemble d'instructions , appelé programme, qui sont contenues dans les différentes
mémoires du système et qui définissent les actions effectuées par le matériel.
1.2 Qu'entend-t-on par architecture ?
L'architecture d'un système à microprocesseur représente l'organisation de ses différentes
unités et de leurs interconnexions. Le choix d'une architecture est toujours le résultat d'un compromis :
- entre performances et coûts
- entre efficacité et facilité de construction
- entre performances d'ensemble et facilité de programmation
- etc ...
1.3 Qu'est ce qu'un microprocesseur ?
Un microprocesseur est un circuit intégré complexe. Il
résulte de l'intégration sur une puce de fonctions logiques
combinatoires (logiques et/ou arithmétique) et séquentielles
(registres, compteur, etc...). Il est capable d'interpréter et
d'exécuter les instructions d'un programme. Son domaine
d'utilisation est donc presque illimité.
Le concept de microprocesseur a été créé par la
Société Intel. Cette Société, créée en 1968, était spécialisée
dans la conception et la fabrication de puces mémoire. À la
demande de deux de ses clients — fabricants de calculatrices
et de terminaux — Intel étudia une unité de calcul
implémentée sur une seule puce. Ceci donna naissance, en 1971, au premier microprocesseur, le
4004, qui était une unité de calcul 4 bits fonctionnant à 108 kHz. Il résultait de l'intégration d'environ
2300 transistors.