Chapitre 1

Notions d'architecture générale

des ordinateurs

1.1 Introduction générale

1.1.1 Dé�nitions

L'informatique : L'académie Française a adopté le terme "Informa-tique" en 1967 a�n de désigner la "science du traitement de l'information"ou plus exactement la "science du traitement rationnel, notamment pardes machines automatiques, de l'information considérée comme le supportdes connaissances humaines et des communications dans les domaines tech-niques", économiques et sociaux.

De nos jours l'informatique s'applique dans tous les domaines de la vie :� La recherche : calcul scienti�que, le génie logiciel� L'aéronautique.� Gestion : gestion de stock, gestion de page.� La comptabilité.� Les jeux, la médecine, les télécommunications, les systèmes de trans-

port, l'enseignement, les ménages.L'ordinateur :machine électrique de traitement numérique de l'informa-

tion, exécutant à grande vitesse les instructions d'un programme et servantà classer, calculer et mémoriser.

Le matériel : ensemble des éléments employés pour le traitement auto-matique de l'information.

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Le logiciel : ensemble des programmes, procédés et règles relatifs autraitement de l'information.

Architecture : l'architecture d'un système à microprocesseur représentel'organisation de ses di�érentes unités et de leurs interconnexions. Le choixarchitecture est le résultat d'un compromis :

� entre performances et coûts.� entre e�cacité et facilité de construction.� entre performances d'ensemble et facilité de programmation.� etc ...

1.1.2 Histoire des ordinateurs

Avant 1623 : on utilise les abaques ( Fig. 1.1 ) pour faciliter les calculs,les bouliers ( Fig. 1.2 ), et les bâtons de Neper (Fig. 1.3 ).

Figure 1.1 � Abaque Roman [1]

Figure 1.2 � Boulier chinois [2]

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Figure 1.3 � Bâtonnets de Neper [4]

Figure 1.4 � Machine à calculer de Schickard [5]

En 1623 : William Schickard inventa la première machine à calculer mé-canique( Fig. 1.4 ).

En 1645 : Blaise Pascal créa la machine d'arithmétique (Pascaline), elleest capable d'e�ectuer des additions et soustractions (Fig. 1.5.

Figure 1.5 � Pascaline [7]

En 1694 : Gottfried William Von Leibniz ajouta à la Pascaline la multi-plication et la division (Fig. 1.6).

En 1837 : Charles Babbage inventa la machine à di�érence, qui permetd'évaluer des fonctions.

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Figure 1.6 � Machine de Leibniz [8]

Les ordinateurs programmablesEn 1940 : Konrad Zuse inventa un ordinateur qui fonctionne grâce à des

relais électromécaniques : le Z3. Cet ordinateur est le premier à utiliser lebinaire à la place du décimal.

En 1944 : Howard Aiken met au point un ordinateur programmable me-surant 17 m de longueur et 25 m de hauteur, permettant de calculer 5 foisplus vite que l'homme : c'est le Mark I d'IBM.

En 1947 : le Mark II voit le jour, ses engrenages sont remplacés par descomposants électroniques.

Zuse Mark I Mark II

Les ordinateurs à lampesEn 1940 : l'ABC (Atanaso� Berry Computer) voit le jour.En 1945 : le premier ordinateur ne comportant plus de pièces mécaniques

est crée grâce à J. Mauchly et J. Presper Eckert : l'ENIAC (Electronic Nu-merical Integrator And Computer). Il occupe une place de 1500 m2. Il fututilisé pour des calculs ayant servi à mettre au point la bombe H. Il était uni-quement programmable manuellement avec des commutateurs ou des câblesà en�cher.

Le transistor

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En 1948 : le transistor est crée par la �rme Bell Labs. Il a rendu lesordinateurs moins encombrants, moins gourmands en énergie électrique, doncmoins coûteux : c'est la révolution dans l'histoire de l'ordinateur.

Le circuit intégréEn 1958 : Texas Instruments a mis au point le circuit intégré qui permet

de réduire encore la taille et le coût des ordinateurs en intégrant sur un mêmecircuit électronique plusieurs transistors sans utiliser de �l électrique.

Les premiers ordinateurs à base de transistorsEn 1960 : l'IBM 7000 est le premier ordinateur à base de transistor.En 1964 : l'IBM 360 fait son apparition, avec également l'arrivée du DEC

PDP-8.Les micro-ordinateursEn 1971 : le premier micro-ordinateur apparaît (le Kenback1) avec une

mémoire de 256 octets.Les microprocesseursEn 1971 : le premier microprocesseur, l'Intel 4004, fait son apparition, il

e�ectue des opérations sur 4 bits simultanément .En 1972 : le microprocesseur l'Intel 8008 apparaît et permet de traiter 8

bits simultanément.En 1973 : le microprocesseur, l'Intel 8080 garnit les premiers micro-

ordinateurs : le Micral et le Altair 8800 avec 256 octets de mémoire.En 1976 : Steve Wozniak et Steve Jobs créent le Apple I dans un garage.� clavier� microprocesseur à 1MHz� RAM : 4 ko� mémoire vidéo : 1 koEn 1981 : IBM commercialise le premier "PC" composé d'un processeur

8088 cadencé à 4.77 MHz.Les ordinateurs d'aujourd'huiLa lois de Moore : on peut placer 2 fois plus de transistor sur une puce

tous les 2 ans.Il est très di�cile de suivre l'évolution de l'ordinateur de nos jours.

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1.1.3 Les composantes fonctionnelles d'un ordinateur

L'architecture de Von Neumann

� Von Neumann est le grand mathématicien qui a dé�ni l'architecturedes ordinateurs en 1945, puis il a fondé la théorie des automates.C'est pour cela qu'ont dit des ordinateurs des "machines de Von Neu-mann". Ce chercheur a contribué à la transformation de notre visiondu monde, en même temps que son ami Alan Turing.

� 1937 : Dans un article fondateur de l'algorithmique, Alan Turing décritune machine conceptuelle capable d'exécuter une suite d'opérationsselon un programme préetabli pour résoudre un problème. Il y a desconcepts logiciels ( liste d'instructions, table des états ) et matériels (unité centrale, bande de papier, dispositif de lecture/écriture ). Mêmesi la machine de Turing n'est qu'un concept, il est considéré commele père de l'informatique théorique. Son oeuvre a permis de formaliseret développer la théorie qui fonde l'étude des algorithmes et de cequ'un ordinateur peut faire. Turing a aussi contribuer à introduirel'approche mathématique en cryptanalyse.

� 1945 : L'un des esprits les plus brillants, le mathématicien John VonNeumann, participe aux réunions pour ré�échir aux améliorationspossibles qu'on peut faire à l'ENIAC et la dé�nition d'un nouveauprojet l'EDVAC. Von Neumann reprend les idées déjà exprimées parEckert et Mauchly et les rapproche du concept de machine universelleévoquée par Alan Turing. Dans un document connu par le nom du"rapport de Von Neumann", il décrit une machine entièrement nou-velle par sa conception fondamentale (Processeur, mémoire, dispositifd'entrée/sorties).

L'architecture des ordinateurs actuels repose sur le modèle de Von Neu-mann (1903-1957), il eu l'idée que la mémoire de l'ordinateur ne devait passervir qu'à stocker uniquement des données, mais elle devait également sto-cker les programmes. Il décrit l'organisation qui devrait être celle d'un ordi-nateur moderne :

� une mémoire� une unité de calculs, appelée ALU (Arithmetic and Logic Unit).� une unité de contrôle (CU).� les dispositifs d'entrée-sortie, qui permettent de communiquer avec le

monde extérieur.

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Les di�érents organes du système sont reliés par voies de communicationsappelées bus (voir �gure 1.7).

Figure 1.7 � Le modèle de Von Neumann.

CPU : Central Processing Unit (Unité centrale de traitement.

L'unité centrale de traitement

Elle est composée par le microprocesseur qui est chargé d'interpréter etd'exécuter les instructions d'un programme, de lire ou de sauvegarder les ré-sultats dans la mémoire et de communiquer avec les unités d'échange. Toutesles activités d'un microprocesseur sont cadencées par une horloge. On carac-térise un microprocesseur par :

� sa fréquence d'horloge : en MHz ou GHz.� le nombre d'instructions par seconde qu'il est capable d'exécuter : en

MIPS.� la taille des données qu'il est capable de traiter : en bits.Exemple :

Processeur Intel R© CoreTM i7-10510U 10TH GEN

� Fréquence de base 1.80 GHz et Fréquence Turbo maxi 4.90 GHz� Cache 8 MB Intel R© Smart Cache� Vitesse du bus 4 GT/s� Nb. de c÷urs : 4� PDT-up con�gurable 25 W

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La mémoire principale

Elle contient les instructions du ou des programmes en cours d'exécutionet les données associées à ce programme. Physiquement , elle se décomposesouvent en :

� une mémoire morte (ROM : Read Only Memory) chargée de stockerle programme. C'est une mémoire à lecture seule.

� une mémoire vive (RAM ; Random Access Memory) chargée de stockerles données intermédiaires ou les résultats de calculs. On peut lire etécrire des données dedans, ces données sont perdues à la mise horstension.

Remarque : Les disques durs, disquettes,CDROM, etc ... sont des périphé-riques de stockage et sont considérés comme des mémoires secondaires.

Les interfaces d'entrées / sorties

Elles permettent d'assurer la communication entre le microprocesseur etles périphériques.

Figure 1.8 � Les interfaces d'entrées / sorties.

Les bus

Un bus est un ensemble de �ls qui assure la transmission du même typed'information. On retrouve trois types de bus véhiculant des informations enparallèle dans un système de traitement programmé de l'information (voir�gure 1.9).

� un bus de données : bidirectionnel qui assure le transfert des informa-tions entre le microprocesseur et son environnement et inversement.

� un bus d'adresses : unidirectionnel qui permet la sélection des empla-cements à traiter dans un un espace mémoire (ou espaces adressable).

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� un bus de commande : constitué par quelques conducteurs qui assurentla synchronisation des �ux d'informations sur les bus des données etdes adresses.

Décodage d'adresses

L'existence de plusieurs périphériques autour du microprocesseur néces-site la présence d'un décodeur d'adresse qui e�ectue l'aiguillage des donnéesprésentes sur le bus des données. En e�et, le microprocesseur communiqueavec di�érentes mémoires et di�érentes boîtiers d'interfaces. Ceux-ci sonttous reliés sue le même bus de données et pour éviter les con�its, un seulcomposant doit être sélectionné à la fois.

Lors de la réalisation d'un système micro-programmé, on attribue à chaquepériphérique une zone d'adresse et une fonction "décodage d'adresse" estdonc primordiale a�n de fournir les signaux de sélection de chacun des com-posants.

Figure 1.9 � Le modèle détaillé d'une architecture d'ordinateur.

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Composants d'un ordinateur

Lorsqu'on parle d'un composant d'ordinateur ou PC, on parle de matérielqui se trouve à l'intérieur de l'ordinateur, contrairement aux périphériqueexternes qui sont reliés par des câbles ou des moyens de communicationssans �ls.

Parmi les composants d'un ordinateur, on trouve :� L'alimentation : délivre le courant électrique. La transformation du

courant cause une déperdition d'énergie sous forme de chaleur, unsystème de ventilation est donc installé dans le co�ret de l'alimenta-tion.

� La carte mère : "tenir" et relier tous les autres composants, elle possèdeles connecteurs (slots) pour accueillir des dizaines de composants etpériphérique en plus des éléments indispensables. C'est aussi sur unepetite partie de la carte mère que se trouve la ROM sur laquelle estenregistré le BIOS (gère la con�guration de base du matériel et secharge de faire le lien avec le système d'exploitation).

� CPU.� RAM.� Disque dur interne : les données à conserver y sont enregistrées : �-

chiers du système d'exploitation, les logiciels et les données.� Lecteur/graveur CD/DVD� Carte graphique.

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Bibliographie

[1] http ://www.archeologiesenchantier.ens.fr/spip.php ?article38

[2] https ://fr.wikipedia.org/wiki/Boulier

[3] https ://www.wikiwand.com/fr/Machine_d%27Anticyth%C3%A8re

[4] https ://dupasquier.ch/2017/05/20/informatique-histoire-1640-logarithmes-et-batonnets/neper-batonnet-machine-informatique/

[5] https ://fr.vikidia.org/wiki/Wilhelm_Schickard

[6] https ://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A8gle_%C3%A0_calcul

[7] https ://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier :Arts_et_Metiers_Pascaline_dsc03869.jpg

[8] https ://www.hannover.de/en/Tourism-Culture/Event-Highlights/Specials/Year-of-Leibniz-2016/Leibniz-Calculating-Machine

[9] https ://journals.openedition.org/bibnum/542

[10] https ://fr.wikipedia.org/wiki/Curta

[11] http ://jva.cs.iastate.edu/operation.php

[12] https ://fr.wikipedia.org/wiki/Zuse_4

[13] https ://www.britannica.com/technology/Harvard-Mark-I

[14] https ://thenewstack.io/reading-the-manual-for-eniac-the-worlds-�rst-electronic-computer/

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