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Modèle de von Neumann2
Architecture de base
Pour traiter une information, un microprocesseur seul ne suffit pas, il faut l’insérer au sein d’un système minimum de traitement programmé de l’information. John Von Neumann est à l'origine d'un modèle de machine universelle de traitement programmé de l’information (1946). Cette architecture sert de base à la plupart des systèmes à microprocesseur actuel.
Modèle de von Neumann3
Architecture de base
Elle est composée des éléments suivants :
1. une unité centrale
2. une mémoire principale
3. des interfaces d’entrées/sorties
Modèle de von Neumann4
Architecture de base
Les différents organes du système sont reliés
par des voies de communication appelées
bus.
Les interfaces d’entrées/sorties 5
Elles permettent d’assurer la communication entre le microprocesseur et les périphériques. ( capteur, clavier, moniteur ou afficheur, imprimante, modem, etc…).
Les bus 6
Un bus est un ensemble de fils qui assure la transmission du même type d’information. On retrouve trois types de bus véhiculant des informations en parallèle dans un système de traitement programmé de l’information :
Les bus 8
1 bus de données
bus d'adresses
bus de commande
bidirectionnel qui assure le transfert des informations entre le microprocesseur et son environnement, et inversement. Son nombre de lignes est égal à la capacité de traitement du microprocesseur.
Les bus 9
bus de données
2 bus d'adresses
bus de commande
unidirectionnel qui permet la sélection des informations à traiter dans un espace mémoire (ou espace adressable) qui peut avoir 2n
emplacements, avec n = nombre de conducteurs du bus d'adresses.
Les bus 10
bus de données
bus d'adresses
3 bus de commande
constitué par quelques conducteurs qui assurent la synchronisation des flux d'informations sur les bus des données et des adresses.
Les mémoires11
Une mémoire est un circuit à semi-conducteur
permettant d’enregistrer, de conserver et de restituer
des informations (instructions et variables).
Organisation d’une mémoire12
Les mémoires
Une mémoire peut être représentée comme une
armoire de rangement constituée de différents tiroirs.
Chaque tiroir peut contenir un seul élément : des
données. Le nombre de cases mémoires pouvant être
très élevé, il est alors nécessaire de pouvoir les
identifier par un numéro. Ce numéro est appelé
adresse. Chaque donnée devient alors accessible grâce
à son adresse Avec une adresse de n bits il est possible
de référencer au plus 2n cases mémoire.
Caractéristiques d’une mémoire13
Les mémoires
La capacité /
Le temps d’accès /
Le temps de cycle /
Le débit /
Volatilité /
Caractéristiques d’une mémoire14
Les mémoires
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.
Différents types de mémoire16
Les mémoires
1Les mémoires vives (RAM)
Une mémoire vive sert au stockage temporaire de
données. Elle doit avoir un temps de cycle très court
pour ne pas ralentir le microprocesseur. Les mémoires
vives sont en général volatiles : elles perdent leurs
informations en cas de coupure d'alimentation.
RAM (Random Acces Memory : mémoire à accès aléatoire)
Différents types de mémoire17
Les mémoires
1Les mémoires vives (RAM)
Les RAM
statiques
Les RAM
dynamiques
Il existe deux grandes familles de mémoires RAM
Différents types de mémoire18
Les mémoires
1Les mémoires vives (RAM)
Les RAM
statiques utilisent le principe des bascules électroniques, elle
est très rapide et ne nécessite pas de
rafraîchissement, par contre, elle est chère,
volumineuse et, grosse consommatrice d'électricité.
Elle est utilisée pour les caches mémoire, exemple
les tampons mémoire L1, L2 et L3 des
microprocesseurs.
Différents types de mémoire19
Les mémoires
1Les mémoires vives (RAM)
Les RAM
dynamiques
Dans les RAM dynamiques (DRAM),
l'information est mémorisée sous la forme
d'une charge électrique stockée dans un
condensateur
Différents types de mémoire20
Les mémoires
1Les mémoires vives (RAM)
Les RAM
dynamiques
SDRAM (Synchronous Dynamic RAM). Pour
les machines de la génération Pentium II,
Pentium III. On distingue la SDRAM 66, 100
et 133 (fréquence d'accès en MHz). Elle
comporte normalement 168 broches.
Différents types de mémoire21
Les mémoires
1Les mémoires vives (RAM)
Les RAM
dynamiques
DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous
Dynamic RAM). Elle est aussi plus chère. On
distingue les DDR PC1600, PC2100, PC2700,
PC3200, etc. Le numéro représente la quantité
théorique maximale de transfert d'information en
Mégaoctets par seconde. Elle est utilisée pour les
machines de génération Pentium III et Pentium 4.
Elle comporte normalement 184 broches.
Différents types de mémoire22
Les mémoires
1Les mémoires vives (RAM)
Les RAM
dynamiques
DDR2 SDRAM (Double Data Rate two SDRAM).
On distingue les DDR2-400, DDR2-533, DDR2-667,
DDR2-800 et DDR2-1066. Le numéro (400, 533, …)
représente la fréquence de fonctionnement.
Elle comporte normalement 240 broches
Différents types de mémoire23
Les mémoires
1Les mémoires vives (RAM)
Les RAM
dynamiques
DDR3 SDRAM (Double Data Rate three
SDRAM). Il s'agit de la 3e génération de la
technologie DDR. La DDR3 fournit un débit
deux fois plus important que la DDR2, et
permet d'atteindre un débit de 6400 MB/s,
et jusqu'à 10664 MB/S pour de la DDR3-
13332.
Différents types de mémoire24
Les mémoires
1Les mémoires vives (RAM)
Les RAM
dynamiques
Dane-Elec
Infineon
Transcend
Fabricants de mémoire
A-DATA
OCZ Technologies
Corsair
Crucial
G. Skill
Kingston
Différents types de mémoire25
Les mémoires
2Les mémoires vives (RAM)
Les mémoires mortes (ROM)
ROM: Read-Only Memory
est une mémoire non volatile, c’est-à-dire une mémoire qui ne s’efface
pas lorsque l’appareil qui la contient n’est plus alimenté en électricité.
Différents types de mémoire26
Les mémoires
2Les mémoires mortes (ROM)
Les mémoires mortes sont utilisées, entre autres, pour
stocker les informations nécessaires au démarrage d’un
ordinateur (BIOS, instructions de démarrage, microcode) ;
puisque les mémoires mortes ne peuvent pas être
modifiées, il n’y a pas de risque d’effacement accidentel
par l’utilisateur.
Différents types de mémoire27
Les mémoires
2Les mémoires mortes (ROM)
Les mémoires mortes sont classées selon la
possibilité de les programmer et de les effacer :
Différents types de mémoire28
Les mémoires
2Les mémoires mortes (ROM)
Les ROM (Read Only Memory) dont le
contenu est défini lors de la fabrication.
Différents types de mémoire29
Les mémoires
2Les mémoires mortes (ROM)
Les PROM (Programmable Read Only
Memory) sont programmables par l’utilisateur, mais une seule fois en raison du
moyen de stockage, les données sont
stockées par des fusibles.
Différents types de mémoire30
Les mémoires
2Les mémoires mortes (ROM)
Les EPROM (Erasable Programmable Read
Only Memory) sont effaçables et programmables par l’utilisateur. Comme
l’effaçage se fait en plaçant la mémoire
dans une machine spéciale,
Différents types de mémoire31
Les mémoires
2Les mémoires mortes (ROM)
Les EEPROM (Electrically Erasable
Programmable Read Only Memory) sont effaçables et programmables par
l’utilisateur. Elles sont plus faciles à effacer
que les EPROM car elles sont effaçables électriquement donc sans manipulations
physiques.
Différents types de mémoire32
Les mémoires
2Les mémoires mortes (ROM)
Les UVPROM (Ultra Violet Programmable Read Only
Memory) sont des mémoires programmables par
l'utilisateur. Elles sont effaçables en les mettant dans
une chambre à ultraviolet. Les UV Prom n'ont plus de
raison d'être aujourd'hui car de nouvelles mémoires
(par exemple, mémoire Flash) bien plus pratiques les
remplacent. Toutefois il est encore possible d'en
rencontrer dans certains anciens appareils.
Notion de hiérarchie mémoire34
Les mémoires
Les registres sont les
éléments de mémoire les
plus rapides. Ils sont situés
au niveau du processeur et
servent au stockage des
opérandes et des résultats
intermédiaires.
Notion de hiérarchie mémoire35
Les mémoires
La mémoire cache est une mémoire rapide
de faible capacité
destinée à accélérer
l’accès à la mémoire
centrale en stockant
les données les plus
utilisées.
Notion de hiérarchie mémoire36
Les mémoires
La mémoire principale
est l’organe principal de
rangement des
informations. Elle contient
les programmes
(instructions et données)
et est plus lente que les
deux mémoires
précédentes.
Notion de hiérarchie mémoire37
Les mémoires
La mémoire d’appui sert
de mémoire
intermédiaire entre la
mémoire centrale et les
mémoires de masse. Elle
joue le même rôle que la
mémoire cache.
Notion de hiérarchie mémoire38
Les mémoires
La mémoire de masse est
une mémoire périphérique
de grande capacité utilisée
pour le stockage permanent
ou la sauvegarde des
informations. Elle utilise pour
cela des supports
magnétiques (disque dur,
ZIP) ou optiques (CDROM,
DVDROM).
Le microprocesseur39
Le microprocesseur
Un microprocesseur est construit autour de deux éléments
principaux :
Une unité de commande
Une unité de traitement
associés à des registres chargées de stocker les différentes
informations à traiter. Ces trois éléments sont reliés entre eux
par des bus interne permettant les échanges d’informations.
Le microprocesseur41
Le microprocesseur
Remarques :
Il existe deux types de registres :
1. les registres d'usage général permettent à l'unité de
traitement de manipuler des données à vitesse élevée. Ils
sont connectés au bus données interne au
microprocesseur.
2. les registres d'adresses (pointeurs) connectés sur le bus
adresses.
L’unité de commande42
Le microprocesseur
Elle permet de séquencer le déroulement des instructions.
Elle effectue la recherche en mémoire de l'instruction.
le compteur de programme Il contient toujours l’adresse de
l’instruction à exécuter.
le registre d'instruction et le décodeur d'instruction :
chacune des instructions à exécuter est rangée dans le
registre instruction puis est décodée par le décodeur
d’instruction.
Bloc logique de commande (ou séquenceur) : Il organise
l'exécution des instructions au rythme d’une horloge.
L’unité de traitement43
Le microprocesseur
C’est le cœur du microprocesseur. Elle regroupe
les circuits qui assurent les traitements nécessaires
à l'exécution des instructions :
L’Unité Arithmétique
et Logique (UAL)
Le registre d'état
Les accumulateurs
L’unité de traitement44
Le microprocesseur
L’Unité Arithmétique
et Logique (UAL)
est un circuit complexe qui assure les
fonctions logiques (ET, OU, Comparaison,
Décalage , etc…) ou arithmétique
(Addition, soustraction).
L’unité de traitement45
Le microprocesseur
Le registre
d'état
Le registre d'état est généralement composé
de 8 bits à considérer individuellement.
Chacun de ces bits est un indicateur dont
l'état dépend du résultat de la dernière
opération effectuée par l’UAL. On les appelle
indicateur d’état ou flag ou drapeaux.
L’unité de traitement46
Le microprocesseur
Les
accumulateurs
Les accumulateurs sont des registres de
travail qui servent à stocker une opérande
au début d'une opération arithmétique et
le résultat à la fin de l'opération
Cycle d’exécution d’une instruction48
Le microprocesseur
Phase 1: Recherche de l'instruction à traiter
Phase 2 : Décodage de l’instruction et recherche de l'opérande
Phase 3 : Exécution de l'instruction
Jeu d’instructions49
Le microprocesseur
La première étape de la conception d’un
microprocesseur est la définition de son jeu
d’instructions. Le jeu d’instructions décrit l’ensemble
des opérations élémentaires que le microprocesseur
pourra exécuter.
Type d’instructions50
Le microprocesseur
Les instructions que l’on retrouve dans chaque
microprocesseur peuvent être classées en 4
groupes :
Transfert de données pour charger ou sauver en
mémoire, effectuer des transferts de registre à
registre, etc…
Opérations arithmétiques : addition, soustraction,
division, multiplication
Opérations logiques : ET, OU, NON, NAND,
comparaison, test, etc…
Contrôle de séquence : branchement, test, etc…
Codage51
Le microprocesseur
Les instructions et leurs opérandes (paramètres) sont stockés
en mémoire principale. Une instruction est composée de deux
champs :
•le code instruction, qui indique au processeur quelle instruction
réaliser
•le champ opérande qui contient la donnée, ou la référence à
une donnée en mémoire (son adresse).
Mode d’adressage52
Le microprocesseur
Un mode d'adressage définit la manière dont le microprocesseur
va accéder à l’opérande. Les différents modes d'adressage
dépendent des microprocesseurs mais on retrouve en général :
l'adressage de registre où l’on traite la données contenue dans
un registre
l'adressage immédiat où l’on définit immédiatement la valeur de
la donnée
l'adressage direct où l’on traite une données en mémoire
Selon le mode d’adressage de la donnée, une instruction sera
codée par 1 ou plusieurs octets.
Temps d’exécution 53
Le microprocesseur
Chaque instruction nécessite un certain
nombre de cycles d’horloges pour s’effectuer.
Le nombre de cycles dépend de la complexité
de l’instruction et aussi du mode d’adressage. Il
est plus long d’accéder à la mémoire
principale qu’à un registre du processeur. La
durée d’un cycle dépend de la fréquence
d’horloge du séquenceur.