Wikilivres frwikibooks https://fr.wikibooks.org/wiki/Accueil MediaWiki 1.46.0-wmf.21 first-letter Média Spécial Discussion Utilisateur Discussion utilisateur Wikilivres Discussion Wikilivres Fichier Discussion fichier MediaWiki Discussion MediaWiki Modèle Discussion modèle Aide Discussion aide Catégorie Discussion catégorie Transwiki Discussion Transwiki Wikijunior Discussion Wikijunior TimedText TimedText talk Module Discussion module Event Event talk 0 2836 762470 748004 2026-03-29T11:06:48Z JackPotte 5426 /* 8.4 */ 762470 wikitext text/x-wiki <noinclude>{{Programmation PHP}}</noinclude> == Historique == <div style="float:right;">[[Image:Server-side websites programming languages.PNG|thumb|Répartition des langages de programmation côté serveur, des sites Internet le 28 avril 2016.]]</div> [[w:PHP|PHP]] est un langage de script créé par Rasmus Lerdorf en 1995. Principalement utilisé pour la programmation Web, on pourrait le situer entre les SSI ([[w:Server Side Includes|Server Side Includes]]) et le langage de script [[Programmation Perl|Perl]]. Il est utilisable sur tous les systèmes d'exploitation, donc sur {{w|Windows}}, {{w|MacOS}}, [[Le système d'exploitation GNU-Linux|GNU-Linux]] ou autre Unix commercial, ce qui en fait un langage très portatif. La sortie de PHP 5 en 2004 a permis au langage d'atteindre une certaine maturité, pour être reconnu comme un serveur d'application à part entière tel que [[Programmation JEE|JEE]] ou [[Programmation .Net|.Net]]. PHP a ensuite acquis une place incontournable dans le développement Web ''Open Source''. Sa popularité vient de sa syntaxe, proche du [[Programmation C|C]], de sa vitesse et de sa simplicité. En 2013, on estime qu'il y a plus de 244 millions de serveurs qui utilisent le langage. En 2016 il est utilisé dans plus de 80 % des sites Internet, et toujours 77,5 % en août 2022<ref>https://w3techs.com/technologies/details/pl-php</ref>. === PHP 5 === Les nouvelles fonctionnalités du PHP 5 (paru en 2004) concernent surtout la [[programmation orientée objet]]<ref>https://www.web24.com.au/tutorials/features-of-php5</ref> : # interfaces # classes abstraites # constructeurs et destructeurs de classes (ainsi que d'autres méthodes magiques) # portée des attributs et méthodes (public, protected, private) # attributs et {{wt|méthode statique|méthodes statiques}} # attributs et {{wt|méthode finale|méthodes finaux}} # {{wt|type hinting}} de classe. === PHP 7 === Les principales fonctionnalités apportées par PHP 7 (depuis 2015) sont<ref>https://www.php.net/manual/fr/migration70.new-features.php</ref> : # typage strict par classe # paramètres typés # retours de méthode typés # {{wt|opérateur de coalescence null}} (??) # {{wt|opérateur vaisseau spatial}} (<=>) # tableaux de constantes # {{wt|classe anonyme|classes anonymes}} # groupage des déclarations (use, avec des accolades). === PHP 8 === Nouvelles fonctionnalités du PHP 8.0 en 2020<ref>https://kinsta.com/fr/blog/php-8/</ref><ref>https://php.developpez.com/actu/335682/PHP-8-2-est-disponible-en-beta-2-Cette-version-propose-null-true-et-false-en-tant-que-types-autonomes-ainsi-que-des-constantes-dans-les-traits/</ref> : # {{wt|paramètre nommé|paramètres nommés}} # types d'union (X|Y) # propriétés promues (déclarations dans le constructeur) # autorisation d'une virgule de fin dans les paramètres # autorisation des méthodes abstraites dans les traits # autorisation des indices négatifs dans les tableaux autoincrémentés # l'instruction <code>match</code> # {{wt|opérateur null-safe}} (?->) # fonction <code>str_contains()</code> # fonction <code>str_starts_with()</code> et <code>str_ends_with()</code> # fonction <code>get_debug_type()</code> : il s'agit d'un <code>gettype()</code> plus précis, car il renvoie le nom de la classe au lieu de "<code>object</code>" # exécution {{wt|juste-à-temps}} (JIT), pour améliorer les performances : plus de 20 % de requêtes en plus par seconde<ref>https://thecodingmachine.com/php-8-nouveautes-compatibilites-migration/</ref>. ==== 8.1 ==== Pour PHP 8.1, sorti en novembre 2021 : # types d'intersection (X&Y) # type de retour <code>never</code> # constantes de classe finales # {{wt|énumération}}s # {{wt|fibre}}s (threads virtuels pilotés par la classe ''Fiber'') # fonction array_is_list() # attributs en lecture seule (readonly). ==== 8.2 ==== PHP 8.2 est sorti le 8 décembre 2022<ref>https://stitcher.io/blog/new-in-php-82</ref> : # classes en lecture seule : <code>readonly class</code> signifie que tous les arguments de son constructeur son implicitement en <code>readonly</code>. # types <code>null</code>, <code>true</code> et <code>false</code>. # constantes dans les traits. # {{w|Forme normale disjonctive}} de type (combinaison de l'union et de l'intersection). ==== 8.3 ==== PHP 8.3 sort le 23 novembre 2023<ref>https://www.phparch.com/2023/08/whats-new-and-exciting-in-php-8-3/</ref> : * classes anonymes en lecture seule. * constantes typées. * fonction "json_validate". ==== 8.4 ==== PHP 8.4 date du 21 novembre 2024 : * Property Hooks : définition des accesseurs depuis leur attribut. * Visibilité asymétrique (aviz) : définition de la portée des accesseurs depuis la promotion de propriété. * Objets paresseux (lazy objects)<ref>https://les-tilleuls.coop/blog/ce-quil-faut-retenir-des-nouveautes-de-php-8-4</ref> : objets instanciés au moment où ils sont appelés. * Attribut <code>#[\Deprecated]</code> (pour remplacer l'annotation)<ref>https://fr.siteground.com/blog/php-8-4/</ref>. ==== 8.5 ==== PHP 8.5 date du 20 novembre 2025 : * Opérateur pipe (<code>|></code>) pour chainer des fonctions. * Nouvelles fonctions : ** <code>array_first()</code> et <code>array_last()</code>. ** <code>get_error_handler()</code> et <code>get_exception_handler()</code>. ** <code>curl_multi_get_handles()</code>. ** <code>locale_is_right_to_left()</code>. == Sites Web statiques ou dynamiques == À l'origine du Web, les sites Web étaient des sites '''statiques''' : constitués d'un ensemble de pages écrites dans le langage HTML. L'information présente sur ces pages était toujours identique et leur mise à jour était particulièrement fastidieuse. Le serveur Web se contentait de diffuser les pages telles quelles à l'utilisateur. L'interaction entre le site et l'utilisateur était très sommaire : l'utilisateur demandait une page web et le serveur la lui fournissait. Aujourd'hui la plupart des sites sont '''dynamiques''' : à l'intérieur des pages HTML, le concepteur du site a inséré des programmes. Ces programmes permettent une plus grande souplesse dans la gestion du site, sa mise à jour et ses fonctionnalités. La possibilité d'insérer des programmes a permis de décupler les fonctionnalités des sites Web. Pour vous en convaincre prenons quelques exemples : *Vous voulez écrire un site qui présente une centaine de produits. Vous n'allez pas écrire 100 pages différentes, une pour chacun des produits ! Mais plutôt une seule page (page type) permettant de présenter n'importe quel produit. Cette page va contenir un programme qui interagira avec une base de données. Dans la base de données, seront stockées les informations utiles pour chaque produit : le nom du produit, sa présentation, sa référence, son prix, etc. Le programme aura donc pour rôle d'aller chercher l'information utile dans la base de données et de l'afficher en HTML. De plus, pour ajouter un produit, il suffira d'ajouter un élément dans la base de données. Il est même possible d'avoir des programmes permettant de passer une commande pour vos différents produits ! * Vous voulez diffuser rapidement des informations sur Internet : vous voulez avoir un outil convivial qui vous permet d'ajouter un article, de le modifier, de le supprimer... Vous allez donc écrire un programme permettant de modifier à volonté les différents articles. Un exemple bien connu de ce type de programme est le blog : il s'agit d'un programme permettant à n'importe quel utilisateur non informaticien de gérer ses différents articles. * L'encyclopédie Wikipédia est réalisée avec un programme (en PHP d'ailleurs) qui permet à chaque utilisateur de créer et de modifier les articles tout en gardant un historique complet des différentes versions des articles. * les forums de discussion sont des lieux d'échange permettant une interaction étroite entre le serveur et l'utilisateur. Grâce aux programmes qu'ils utilisent, il est possible de se connecter, de consulter les messages des différents forums, d'y répondre. Les modérateurs de ces forums peuvent modifier les messages, les supprimer, interdire un utilisateur indélicat. Dans chacun des exemples précédents il a été nécessaire d'incorporer un programme à l'intérieur des pages du site afin de réaliser des fonctionnalités de haut niveau. Aujourd'hui la quasi-totalité des sites professionnels sont dynamiques et il est quasi inconcevable de réaliser un site statique. Le langage PHP est un des langages utilisables pour réaliser facilement les sites Web dynamiques, ne serait-ce que parce qu'il est disponible sur la plupart des serveurs hébergeant des sites. == Possibilités == Si vous êtes déjà allés sur un site qui vous demandait de vous connecter, vous avez utilisé un script côté serveur. Ce script était certainement écrit en PHP, en raison de la popularité de ce dernier. PHP transforme une page statique (fichier [[Programmation HTML|HTML]] par exemple), en une suite d'instructions interprétables par PHP, installée sur un serveur Web comme [[Apache]] - ça peut-être simplement un "Hello World" 50 fois dans une colonne, ou une interaction avec un système de base de données, comme [[MySQL]], fréquemment couplé à PHP. Mais PHP peut aussi servir à programmer des batchs sans page web aucune. Les premières versions de PHP étaient faiblement typées, mais depuis la version 7 il est possible de forcer un typage fort dans un fichier en lui ajoutant : <pre> declare(strict_types = 1); </pre> == Références == {{Références}} f5wjukc3ww91xn05ongcgytxqylfhdb 12 14070 762443 676187 2026-03-28T16:34:48Z DavidL 1746 /* Principe */ voir w: pour plus de détails, hoard sujet sur page d'aide, pas de lien sur un autre projet. 762443 wikitext text/x-wiki [[Fichier:Cone-response-en.svg|thumb|Zone de sensibilité des trois cônes et des bâtonnets de l’œil humain en fonction de la longueur d'onde]] De nombreux appareils informatiques se basent sur la trichromie, pour produire des couleurs métamères des couleurs appartenant au spectre visibles. Ce principe consiste à envoyer une puissance lumineuse spécifique à chacun des trois cônes de l’œil humain. ==Principe== L'œil humain comporte normalement trois types de cônes situés principalement sur la fovéa d'un millimètre de diamètre, dépression de la macula (tache jaune) près du centre de la rétine, à quelques degrés de l'axe optique. Ces trois types de récepteurs ont un maximum d'absorption correspondant à trois longueurs d'ondes différentes correspondant à des lumières de couleur rouge-orangé, verte et bleue. * les cônes L (''long''), sensibles aux lumières de longueur d'onde dans le vide de 470 à {{unité|630|nm}} (de bleu-vert à rouge)<ref group="note">L'intervalle indiqué est celui pour lequel l'absorbance normalisée est supérieure à 1/e par rapport au maximum.</ref>, avec un maximum à {{unité|555|nm}} qui est un vert-jaune. * les cônes M (''medium''), sensibles aux ondes de longueur moyenne, de 440 à {{unité|595|nm}} (gamme de bleu à orange), avec un maximum à {{unité|525|nm}} donc dans le vert. * les cônes S (''short''), sensibles aux ondes courtes, d'environ 290<!--valeur obtenue par extrapolation de la courbe--> à {{unité|470|nm}} (gamme de violet à bleu-vert), avec un maximum à {{unité|420|nm}}, un violet-bleu {{harv|Sève|2009|p=19}}. [[Fichier:Synthese+.svg|thumb|Synthèse additive.]] En informatique, ces trois couleurs sont simulées au moyen de trois couleurs généralement dénommées rouge, vert, bleu, (RVB) ou RGB en anglais, même si la couleur précise de chacune des ces trois couleur dépend de normes techniques dépendant des technologies. Le modèle RVB utilise la synthèse additive utilisée pour les affichages émettant de la lumière. Celui-ci s'oppose à la synthèse soustractive du modèle Cyan-Magenta-Jaune utilisée par les supports passifs (papier, ...) reflétant la lumière. À intensité égale, l’œil humain perçoit généralement le vert (ex : {{Couleur|#00FF00}} 00FF00) comme plus lumineux que le rouge (ex : {{Couleur|#FF0000}} FF0000), et le bleu comme le moins lumineux (ex : {{Couleur|#0000FF}} 0000FF). ---- <references group="note"/> ==Lire aussi== * [[Photographie/Colorimétrie]] ** Généralités sur les couleurs (A) Une version complète existe ** Lumières blanches et lumières colorées (AB) En cours de finition ** Lumières complémentaires (A) En cours ** Les lois de Grassmann et la trichromie (B) Une version complète existe ** Notions sur la vision des couleurs (AB) Ébauche ** Le système RGB (B) ==Codage informatique == En informatique, l'usage et des standards ont formalisé la description informatique des couleurs au moyen de trois valeurs comprises entre 0 et 255 en décimal, ou entre 00 et FF en hexadécimal. Les trois valeurs décrivant une couleur sont représentées par six chiffres hexadécimaux, soit deux par couleur. Exemple : * {{Couleur|#0066FF}} 0066FF ; hexadécimal : R=0x00, V=0x66, B=0xFF ; c'est à dire une couleur sans rouge (0), <math>\frac{2}{5}</math> de vert (102) et bleu au maximum (255), donnant une couleur bleue et légèrement verte. Du reste, le sujet est suffisamment vaste pour que l'on ne compte plus les livres qui traitent du sujet. ==Tableau== Ce tableaux représente le codage RGB des couleurs, ce code est utilisé dans de nombreuses technologies ([[w:XHTML|XHTML]], [[w:Cascading Style Sheet|CSS]]) : <table border="1" style="margin: auto;"> <tr> {{/Couleur|000000}} {{/Couleur|000033}} {{/Couleur|000066}} {{/Couleur|000099}} {{/Couleur|0000CC}} {{/Couleur|0000FF}} {{/Couleur|003300}} {{/Couleur|003333}} {{/Couleur|003366}} {{/Couleur|003399}} {{/Couleur|0033CC}} {{/Couleur|0033FF}} </tr><tr> {{/Couleur|006600}} {{/Couleur|006633}} {{/Couleur|006666}} {{/Couleur|006699}} {{/Couleur|0066CC}} {{/Couleur|0066FF}} {{/Couleur|009900}} {{/Couleur|009933}} {{/Couleur|009966}} {{/Couleur|009999}} {{/Couleur|0099CC}} {{/Couleur|0099FF}} </tr><tr> {{/Couleur|00CC00}} {{/Couleur|00CC33}} {{/Couleur|00CC66}} {{/Couleur|00CC99}} {{/Couleur|00CCCC}} {{/Couleur|00CCFF}} {{/Couleur|00FF00}} {{/Couleur|00FF33}} {{/Couleur|00FF66}} {{/Couleur|00FF99}} {{/Couleur|00FFCC}} {{/Couleur|00FFFF}} </tr><tr> {{/Couleur|330000}} {{/Couleur|330033}} {{/Couleur|330066}} {{/Couleur|330099}} {{/Couleur|3300CC}} {{/Couleur|3300FF}} {{/Couleur|333300}} {{/Couleur|333333}} {{/Couleur|333366}} {{/Couleur|333399}} {{/Couleur|3333CC}} {{/Couleur|3333FF}} </tr><tr> {{/Couleur|336600}} {{/Couleur|336633}} {{/Couleur|336666}} {{/Couleur|336699}} {{/Couleur|3366CC}} {{/Couleur|3366FF}} {{/Couleur|339900}} {{/Couleur|339933}} {{/Couleur|339966}} {{/Couleur|339999}} {{/Couleur|3399CC}} {{/Couleur|3399FF}} </tr><tr> {{/Couleur|33CC00|1}} {{/Couleur|33CC33|1}} {{/Couleur|33CC66|1}} {{/Couleur|33CC99|1}} {{/Couleur|33CCCC|1}} {{/Couleur|33CCFF|1}} {{/Couleur|33FF00|1}} {{/Couleur|33FF33|1}} {{/Couleur|33FF66|1}} {{/Couleur|33FF99|1}} {{/Couleur|33FFCC|1}} {{/Couleur|33FFFF|1}} </tr><tr> {{/Couleur|660000}} {{/Couleur|660033}} {{/Couleur|660066}} {{/Couleur|660099}} {{/Couleur|6600CC}} {{/Couleur|6600FF}} {{/Couleur|663300}} 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{{/Couleur|9966FF}} {{/Couleur|999900}} {{/Couleur|999933}} {{/Couleur|999966}} {{/Couleur|999999}} {{/Couleur|9999CC}} {{/Couleur|9999FF}} </tr><tr> {{/Couleur|99CC00|1}} {{/Couleur|99CC33|1}} {{/Couleur|99CC66|1}} {{/Couleur|99CC99|1}} {{/Couleur|99CCCC|1}} {{/Couleur|99CCFF|1}} {{/Couleur|99FF00|1}} {{/Couleur|99FF33|1}} {{/Couleur|99FF66|1}} {{/Couleur|99FF99|1}} {{/Couleur|99FFCC|1}} {{/Couleur|99FFFF|1}} </tr><tr> {{/Couleur|CC0000}} {{/Couleur|CC0033}} {{/Couleur|CC0066}} {{/Couleur|CC0099}} {{/Couleur|CC00CC}} {{/Couleur|CC00FF}} {{/Couleur|CC3300}} {{/Couleur|CC3333}} {{/Couleur|CC3366}} {{/Couleur|CC3399}} {{/Couleur|CC33CC}} {{/Couleur|CC33FF}} </tr><tr> {{/Couleur|CC6600}} {{/Couleur|CC6633}} {{/Couleur|CC6666}} {{/Couleur|CC6699}} {{/Couleur|CC66CC}} {{/Couleur|CC66FF}} {{/Couleur|CC9900}} {{/Couleur|CC9933}} {{/Couleur|CC9966}} {{/Couleur|CC9999}} {{/Couleur|CC99CC}} {{/Couleur|CC99FF}} </tr><tr> {{/Couleur|CCCC00|1}} {{/Couleur|CCCC33|1}} {{/Couleur|CCCC66|1}} {{/Couleur|CCCC99|1}} {{/Couleur|CCCCCC|1}} {{/Couleur|CCCCFF|1}} {{/Couleur|CCFF00|1}} {{/Couleur|CCFF33|1}} {{/Couleur|CCFF66|1}} {{/Couleur|CCFF99|1}} {{/Couleur|CCFFCC|1}} {{/Couleur|CCFFFF|1}} </tr><tr> {{/Couleur|FF0000}} {{/Couleur|FF0033}} {{/Couleur|FF0066}} {{/Couleur|FF0099}} {{/Couleur|FF00CC}} {{/Couleur|FF00FF}} {{/Couleur|FF3300}} {{/Couleur|FF3333}} {{/Couleur|FF3366}} {{/Couleur|FF3399}} {{/Couleur|FF33CC}} {{/Couleur|FF33FF}} </tr><tr> {{/Couleur|FF6600}} {{/Couleur|FF6633}} {{/Couleur|FF6666}} {{/Couleur|FF6699}} {{/Couleur|FF66CC}} {{/Couleur|FF66FF}} {{/Couleur|FF9900}} {{/Couleur|FF9933}} {{/Couleur|FF9966}} {{/Couleur|FF9999}} {{/Couleur|FF99CC}} {{/Couleur|FF99FF}} </tr><tr> {{/Couleur|FFCC00|1}} {{/Couleur|FFCC33|1}} {{/Couleur|FFCC66|1}} {{/Couleur|FFCC99|1}} {{/Couleur|FFCCCC|1}} {{/Couleur|FFCCFF|1}} {{/Couleur|FFFF00|1}} {{/Couleur|FFFF33|1}} {{/Couleur|FFFF66|1}} {{/Couleur|FFFF99|1}} {{/Couleur|FFFFCC|1}} {{/Couleur|FFFFFF|1}} </tr></table> ===Fonctionnement : ''à expliquer''=== ===Variation de vert, avec constance du rouge et du bleu=== Sur trois lignes en considérant deux colonnes seulement, soit une sur six: <table border="1" style="margin: auto;"> <tr> {{/Couleur|000000}} {{/Couleur|000033}} {{/Couleur|000066}} {{/Couleur|000099}} {{/Couleur|0000CC}} {{/Couleur|0000FF}} {{/Couleur|003300}} {{/Couleur|003333}} {{/Couleur|003366}} {{/Couleur|003399}} {{/Couleur|0033CC}} {{/Couleur|0033FF}} </tr><tr> {{/Couleur|006600}} {{/Couleur|006633}} {{/Couleur|006666}} {{/Couleur|006699}} {{/Couleur|0066CC}} {{/Couleur|0066FF}} {{/Couleur|009900}} {{/Couleur|009933}} {{/Couleur|009966}} {{/Couleur|009999}} {{/Couleur|0099CC}} {{/Couleur|0099FF}} </tr><tr> {{/Couleur|00CC00}} {{/Couleur|00CC33}} {{/Couleur|00CC66}} {{/Couleur|00CC99}} {{/Couleur|00CCCC}} {{/Couleur|00CCFF}} {{/Couleur|00FF00}} {{/Couleur|00FF33}} {{/Couleur|00FF66}} {{/Couleur|00FF99}} {{/Couleur|00FFCC}} {{/Couleur|00FFFF}} </tr></table> ===Variation de bleu, avec constance du rouge et du vert=== Sur une demie ligne, en considérant toutes les colonnes: <table border="1" style="margin: auto;"> <tr> {{/Couleur|000000}} {{/Couleur|000033}} {{/Couleur|000066}} {{/Couleur|000099}} {{/Couleur|0000CC}} {{/Couleur|0000FF}} </tr> </table> ===Variation de rouge, avec constance du vert et du bleu=== Sur une colonne, en ne considérant qu'une ligne sur trois. <table border="1" style="margin: auto;"> <tr> {{/Couleur|000000}} </tr><tr> {{/Couleur|006600}} </tr><tr> {{/Couleur|00CC00}} </tr><tr> {{/Couleur|330000}} </tr><tr> {{/Couleur|336600}} </tr><tr> {{/Couleur|33CC00|1}} </tr><tr> {{/Couleur|660000}} </tr><tr> {{/Couleur|666600}} </tr><tr> {{/Couleur|66CC00|1}} </tr><tr> {{/Couleur|990000}} </tr><tr> {{/Couleur|996600}} </tr><tr> {{/Couleur|99CC00|1}} </tr><tr> {{/Couleur|CC0000}} </tr><tr> {{/Couleur|CC6600}} </tr><tr> {{/Couleur|CCCC00|1}} </tr><tr> {{/Couleur|FF0000}} </tr><tr> {{/Couleur|FF6600}} </tr><tr> {{/Couleur|FFCC00|1}} </tr></table> ==Voir aussi== * [[W:Aide:Couleurs]] * [[W:Portail:Couleurs]] * [[W:Codage_informatique_des_couleurs]] * [[W:Rouge vert bleu]] [[Catégorie:Aide sur Wikilivres]] [[en:XML: Managing Data Exchange/XML Colors]] qtj0106lsilk40io437xm6y089u767e 0 27459 762444 762417 2026-03-28T16:42:04Z DavidL 1746 762444 wikitext text/x-wiki {{livre de cuisine}} [[Fichier:Sachertorte DSC03027.JPG|vignette|300px]] Le '''sachertorte''' est un gâteau au chocolat inventé en 1832 par Franz Sacher. Aujourd'hui, c'est une spécialité viennoise. ==Recette== ===Ingrédients=== * 200 g de {{i|chocolat}} à croquer cassé ou haché en petits morceaux, * 8 jaunes d'{{i|'=oui|œuf}}, * 120 g de {{i|beurre}} fondu, * 1 cuillerée à café d'essence de {{i|vanille}}, * 10 blancs d'œufs, * une pincée de sel, * 180 g de {{i|sucre}}, * 120 g de {{i|farine}} tamisée, * 1/3 de bol de {{i|confiture}} d'{{i|'=oui|abricot}}s passée au tamis ou au {{Ustensile|chinois}}. ===Ingrédients pour le glaçage=== * 90 g de chocolat à cuire non sucré, haché ou coupé en petits morceaux, * 1/4 de litre de {{i|crème fraîche}} épaisse, * 240 g de sucre, * 1 cuillerée à café de {{i|glucose cristal}}, * 1 œuf, * 1 cuillerée à café d'essence de {{i|vanille}}. ===Ustensiles=== * Deux {{Ustensile|moule}}s à génoise de 22 cm, * Un {{Ustensile|batteur}} à œufs, * Un {{Ustensile|bol}}, * Une petite {{Ustensile|casserole}}, à fond épais de préférence. ===Préparation des génoises=== # Faites chauffer le four à [[Thermostat de cuisson|180°C]]. # Enduisez de beurre deux moules à génoise de 22 cm de diamètre et de 4 cm de profondeur et tapissez-en le fond de rondelles de papier sulfurisé ; saupoudrez ces dernières de farine et éliminez l'excédent. # Faites fondre le chocolat au {{TechniqueCuisine|bain-marie|cuire au bain-marie}}, en le remuant de temps en temps avec une {{Ustensile|cuillère en bois}}. # Battez ensuite les jaunes d'œufs à la fourchette, dans un bol, et ajoutez-y le chocolat, le beurre fondu et l'essence de vanille. # Fouettez les blancs avec le sel jusqu'à ce qu'ils moussent, puis ajoutez-y le sucre, 1 cuillerée à soupe à la fois, en continuant à battre jusqu'à ce que les blancs forment des pics neigeux tout à fait fermes, lorsque vous soulevez le batteur hors de la terrine. # Mélangez environ 1/3 des blancs d'œufs battus au mélange chocolaté puis versez le mélange au chocolat sur le reste des blancs. # Saupoudrez la surface de farine. # Avec une spatule en caoutchouc, soulevez le mélange, au lieu de le tourner, et remuez, jusqu'à ce qu'il reste aucune trace blanche. Prenez garde de ne pas remuer trop longtemps. # Versez cette pâte dans les moules, en la divisant également. Laissez cuire 20 à 30 minutes ou jusqu'à ce que la pâte soit gonflée et sèche, et qu'un couteau, plongé au milieu, en ressorte propre. # Retirez du four. Détachez les bords des gâteaux des parois des moules, à l'aide d'une lame de couteau. # Renversez-les sur une grille. Démoulez. Ôtez les rondelles de papier. Laissez refroidir. ===Préparation du glaçage=== # Dans une petite casserole à fond épais, mélangez le chocolat, la crème, le sucre et le glucose cristal. # Faites cuire sur feu très doux, en mélangeant sans cesse avec une cuillère en bois, jusqu'à ce que le sucre et le chocolat soient fondus. # Sur feu moyen, laissez cuire 5 minutes sans remuer ou jusqu'à ce qu'un peu du glaçage, jeté dans un verre d'eau froide, y forme une boule molle. # Dans un bol, battez légèrement l'œuf, puis ajoutez-y 3 cuillerées à soupe du mélange chocolaté. Mélangez, puis versez le contenu du bol dans la casserole où se trouve le reste du chocolat. # Mélangez alors vigoureusement. Sur feu très doux, laissez cuire en continuant à remuer, jusqu'à ce que le mélange nappe bien la cuillère, en s'y attachant. # Retirez du feu, et ajoutez l'essence de vanille. ===Préparation finale=== # Lorsque les 2 couches de gâteau sont entièrement refroidies, badigeonnez l'une d'elles avec la confiture d'abricots ; et posez l'autre par-dessus. # Placez la grille sur laquelle sont posées les 2 couches de gâteau, au-dessus d'un moule à gâteau roulé. # Soulevez la casserole contenant le glaçage à 5 cm au-dessus du gâteau et versez le glaçage par-dessus, en le répartissant de façon aussi uniforme que possible. # Égalisez la surface du glaçage avec une spatule métallique. Laissez reposer ainsi jusqu'à ce que le glaçage cesse de couler puis, à l'aide de deux spatules métalliques, posez-le sur un plat de service et mettez-le 3 heures au réfrigérateur, afin que le glaçage durcisse. # Retirez du réfrigérateur 30 minutes avant de servir. == Notes et références == {{Sur Wikipédia|Sachertorte}} [[Catégorie:Cuisine autrichienne]] [[Catégorie:Pâtisseries|Sachertorte]] [[Catégorie:Desserts|Sachertorte]] fvdwcytqkomqo8kdjmcccq9ojzy3zqs 2 56767 762461 761434 2026-03-28T20:14:43Z Xhungab 23827 762461 wikitext text/x-wiki ℂ² ℝ² [[File:Line integral of scalar field.gif|Line integral of scalar field]] * [[feuilles volantes orphelines|Feuilles Volantes Orphelines]] * [[feuilles dupliquées orphelines|feuilles dupliquées orphelines]] * [[Liste des mini livres|Liste des mini livres]] * [[feuille test orpheline|feuilles tests orphelines]] 8sy3tvdl2sf9vsiqxb5okbu8em9x5q3 0 65669 762469 758599 2026-03-29T11:00:24Z JackPotte 5426 /* Fonctions de lecture */ 762469 wikitext text/x-wiki <noinclude>{{PHP}}</noinclude> == Création de tableau == Un tableau (en anglais <code>array</code>) est une collection d'objet. En PHP, ces objets n'ont pas forcément le même type (cohabitation entre des entiers, des chaines…). Chaque objet est identifié par une clé appelée indice, que l'on met entre crochets (ex : <code>$tableau[indice]</code>). Il existe trois manières de déclarer un tableau vide : <pre> $tab = []; // depuis PHP 5.4 $tab = {}; // moins permissif aux concaténations $tab = array(); // déconseillé depuis PHP 7 </pre> Pour créer un tableau non vide : <syntaxhighlight lang=php> $t1 = array('champ1', 'champ2'); $t2 = ['champ1', 'champ2']; $t3[0] = 'champ1'; $t3[1] = 'champ2'; // Affiche les trois mêmes tableaux : Array ( [0] => champ1 [1] => champ2 ) var_dump($t1); var_dump($t2); var_dump($t3); </pre> {{attention|clear=left|<code>print</code> ne fonctionne pas pour les tableaux, il faut utiliser <code>var_dump</code> ou <code>print_r</code>. Par ailleurs, pour récupérer la chaine affichée par ces fonctions, utiliser <code>print_r(MonTableau1, true)</code>.}} Autres exemples : <pre> $tab[0] = 1; // entier $tab[1] = 2.0; // flottant array_push($tab,'Ligne 3'); $tab[] = 'Ligne 4'; var_dump($tab); </pre> Il en est de même pour les tableaux à deux dimensions. <pre> $tab = []; $tab[0][0] = '0-0'; $tab[0][1] = '0-1'; $tab[1][0] = '1-0'; $tab[1][1] = '1-1'; var_dump($tab); </pre> On distingue deux types de tableau : * Le tableau standard, dont la clé est son indice (le numéro de ligne en partant de zéro). Pratique pour être parcouru par une variable compteur, ou pour être rempli dans un certain ordre. * Le {{w|tableau associatif}}, auquel on accède par le nom d'une clé en chaine de caractères. == Tableau itératifs == Les clés du tableaux sont des nombres. Ils ont l'avantage de pouvoir être parcourus par un compteur. {{Exemple | contenu = <pre> $tab = ['val1', 'val2', 'val3']; // $tab[0] vaut val1 /-/ $tab[1] vaut val2 /-/ etc. for($i = 0; $i<2; $i++) echo $tab[$i]; </pre> }} Ce code affichera : ''val1val2''. En PHP, on peut aussi directement affecter des indices du tableau, comme suit : {{Principe|width=50% | contenu = <pre> $tab[0] = 1; $tab[99] = 3; </pre> }} Notez que les indices ne sont pas typés (on pourra indifféremment utiliser $tab[1] et $tab['1']). == Tableaux associatifs == Ils fonctionnent de la même manière que les tableaux itératifs, sauf que l'utilisateur en choisit la clé. À chaque clé correspond une valeur (injection). Voici un exemple de déclaration : {{Exemple | contenu = <pre> $tab = ['cle1' => 'val1', 'cle2' => 'val2', 'cle3' => 'val3']; print $tab['cle2']; //affichera : val2 //parcours du tableau en boucle foreach ($tab as $key => $value) print $key." : ".$value.". "; </pre> }} Résultat : <code>cle1 : val1. cle2 : val2. cle3 : val3.</code> Pour ne garder que les valeurs on peut utiliser <code>implode()</code>, qui convertit un tableau en chaine avec séparateur : <pre> print implode(". ", $tab).". "; </pre> Résultat : <code>val1. val2. val3.</code> == Fonctions de lecture == * <code>count</code> : cette fonction renvoie le nombre d'éléments présent dans le tableau. {{Principe | contenu = <pre> $tab = [1, 2, 3, 4]; print count($tab); //affiche 4 </pre> }} * <code>key</code> : clé de l'élément courant du tableau, celui vers lequel le pointeur fait référence. * <code>current</code> : valeur de l'élément courant. * <code>reset</code> : valeur du premier élément. * <code>end</code> : valeur du dernier élément. * <code>each</code> : valeur de l'élément courant, et avance le pointeur au suivant. * <code>prev</code> : valeur de l'élément précédent. * <code>next</code> : valeur de l'élément suivant. * <code>array_values($tab)</code> : renvoie un tableau contenant toutes les valeurs du tableau en paramètre. S'utilise pour reconstruire des clés consécutives sans changer les valeurs. * <code>array_keys($botteDeFoin, $aiguille)</code> : renvoie un tableau contenant toutes les clés du tableau en paramètre. De plus, si une valeur est définie en paramètre deux, le résultat ne contient que les clés associées à celle-ci. * <code>array_key_exists($cle, $tab)</code> : renvoie "vrai" si la clé est dans le tableau. * <code>array_key_first($tab)</code> : renvoie la première clé d'un tableau. * <code>array_key_last($tab)</code> : renvoie la dernière clé d'un tableau. * <code>array_diff($t1, $t2)</code> : renvoie le tableau des différences entre ceux en paramètres (peut servir pour supprimer par valeur). * <code>array_sum($tab)</code> : renvoie la somme des valeurs du tableau. * <code>array_intersect($t1, $t2)</code> : intersection entre plusieurs tableaux. * <code>array_find($tab, function)</code> : renvoie un sous-tableau qui match la fonction en argument. * <code>array_any($tab, function)</code> : renvoie un booléen si la fonction en argument match. * <code>array_first($tab)</code> et <code>array_last($tab)</code> depuis PHP 8.5. === Exemple === <pre> $tab = ["mixte valeur₁","mixte valeur₂","...","mixte valeur_n"]; echo key($tab); echo ' : '; echo current($tab); </pre> Affiche ''0 : mixte valeur1'' Les fonctions <code>key()</code> et <code>current()</code> peuvent accéder aux autres éléments du tableau après <code>each()</code> ou <code>next()</code>. Il existe aussi différentes méthodes liées aux tableaux, des méthodes de tri, de recherche, de concaténation de tableaux, des méthodes d'ajouts et de suppressions d'éléments, etc. === Recherches === * <code>in_array($aiguille, $botteDeFoin)</code> : recherche de présence par valeur. Renvoie un booléen si l'élément est trouvé. * <code>array_search($aiguille, $botteDeFoin)</code> : recherche de position par valeur. Renvoie la clé de l'élément trouvé, ou false sinon. * <code>array_keys($botteDeFoin, $aiguille)</code> : recherche par clé (déjà décrit au paragraphe précédent). {{attention|1=<code>php -r "var_dump(in_array(0, ['test']));"</code> = true}} === Comparaison === Pour comparer deux tableaux : <pre> $a1 == $a2; // compare le contenu et la taille $a1 === $a2; // compare le contenu, la taille et l'index </pre> === Condition === Un tableau vide dans une condition vaudra "faux", alors qu'un non vide vaudra "true". == Fonctions d'écriture == Pour manipuler des tableaux il est indispensable de connaitre les fonctions suivantes : * <code>str_split($string)</code> : convertit une chaine de caractères en tableau itératif, chaque ligne étant composée d'un caractère. * <code>mb_str_split($string)</code> : idem mais en caractères multi-octets. * <code>explode($separateur, $tableau)</code> : convertit une chaine de caractères en tableau itératif, donc le contenu correspond aux sous-chaines situées autour d'un séparateur donné. * <code>implode($separateur, $tableau)</code> : convertit un tableau en chaine de caractères. Le séparateur à placer dans la chaine est facultatif. * <code>sizeof($tableau)</code> : renvoie la taille du tableau (le nombre d'objets qu'il contient). Attention : avant PHP 7.2 cette fonction pouvait aussi remplacer <code>strlen()</code>. * <code>array_push($monTableau, $valeur)</code> : ajoute une ligne à la fin du tableau, équivaut à <code>$monTableau[]</code><ref>http://php.net/manual/fr/function.array-push.php</ref> (empile). * <code>array_unshift($monTableau, $valeur)</code> : ajoute une ligne au début du tableau</code><ref>http://php.net/manual/fr/function.array-unshift.php</ref>. * <code>array_pop($monTableau)</code> : retire la dernière ligne du tableau, en la renvoyant<ref>http://php.net/manual/fr/function.array-pop.php</ref> (dépile). * <code>array_shift($monTableau)</code> : retire la première ligne du tableau, en la renvoyant<ref>http://php.net/manual/fr/function.array-shift.php</ref>. * <code>array_merge($monTableau1, $monTableau2, $monTableau3...)</code> : fusionne plusieurs tableaux<ref>http://php.net/manual/fr/function.array-merge.php</ref>. * <code>array_merge_recursive()</code> : idem en multidimensionnel. * <code>array_replace($monTableau1, $monTableau2, $monTableau3...)</code> : fusionne plusieurs tableaux en replaçant les clés existantes du premier par celles des autres. Cela permet par exemple de fusionner deux tableaux en préservant leurs clés. * <code>array_replace_recursive()</code> : idem en multidimensionnel. * <code>array_unique($tableau)</code> : filtre les valeurs en doublon (quelles que soient leurs clés). * <code>array_filter($tableau, fonction)</code> : filtre les lignes selon une fonction exécutée sur chaque élément. Pour injecter des variables dans la fonction, utiliser "use" (ex : <code>array_filter($tableau, function($ligne) use($variable1){</code>...). * <code>array_column($tableau, colonne)</code> : filtre par colonne. Renvoie uniquement les valeurs d'un champ donné pour chaque élément. * <code>array_reduce($tableau, fonction)</code> : transforme le tableau selon une fonction exécutée sur chaque élément. * <code>array_map(fonction, $tableau)</code> exécute une fonction sur chaque valeur du tableau<ref>http://php.net/manual/fr/function.array-map.php</ref>. Exemples : ** Pour trimer chaque ligne d'un tableau : <code>array_map('trim', $tableau)</code> ** Pour créer un tableau de tableau : <syntaxhighlight lang=php> array_map(function($ligne) { return explode('=', $ligne); } , $tableau) </pre> * <code>array_walk($tableau, fonction)</code> : exécute une fonction sur chaque élément (clé ou valeur). * <code>array_chunk($tableau, $taille)</code> : découpe le tableau fourni en tableaux de la taille fournie. * <code>array_slice($tableau, $début, $taille)</code> : renvoie la partie du tableau à partir de l'élément dont le numéro est le premier paramètre, de la taille en paramètre deux. * <code>array_flip($tableau)</code> : inverse les clés et valeurs. Attention : un tableau ne peut avoir que des types primitifs en clé, pas des objets (sinon c'est l'erreur ''Illegal offset type''). * <code>unset($tableau[$index])</code> : supprimer la ligne. {{Exemple | contenu = <pre> $chaine = 'MonFichier.2016.txt'; $tab = explode('.', $chaine); // au niveau des points, on explose la chaine (en trois) var_dump($tab); /* affiche : array(3) { [0]=> string(10) "MonFichier" [1]=> string(4) "2016" [2]=> string(3) "txt" } */ echo $tab[0]; // affiche : MonFichier echo 'L\'extension du fichier est : '.$tab[sizeof($tab)-1]; // affiche : L'extension du fichier est : txt </pre> }} {{attention|Comme le premier indice du tableau est zéro, le dernier est égal à sa taille moins un.|clear=left}} {{Exemple | titre = Joindre les éléments "id" d'un tableau de tableaux | contenu = <pre> echo implode(', ', array_map(function ($ligne) { return $ligne['id']; }, $tableau)); </pre> }} === Tris === * <code>array_multisort($tableau, SORT_ASC)</code> permet de trier un tableau dans l'ordre croissant de ses valeurs. * <code>sort($tableau)</code> : trie le tableau par valeurs croissantes, en recréant des clés numériques. * <code>asort($tableau)</code> : trie le tableau par valeurs croissantes, en conservant les clés associées. * <code>arsort, fonction)</code> : trie le tableau par valeurs décroissantes, en conservant les clés associées. * <code>ksort($tableau)</code> : trie par clés croissantes par défaut. * <code>krsort($tableau)</code> : trie par clés décroissantes par défaut. * <code>usort($tableau, fonction)</code> : trie selon une fonction donnée<ref>http://php.net/manual/fr/function.usort.php</ref>. {{remarque|Les tris croissants définis par défaut sont modifiables par des flags en deuxième paramètre.}} {{Exemple | contenu = <pre> $array = array("name"=>"Toyota", "type"=>"Celica", "colour"=>"black", "manufactured"=>"1991"); array_multisort($array, SORT_ASC); var_dump($array); // array(4) { ["manufactured"]=> string(4) "1991" ["type"]=> string(6) "Celica" ["name"]=> string(6) "Toyota" ["colour"]=> string(5) "black" } // On remarque que les majuscules sont avant les minuscules. arsort($array); var_dump($array); // array(4) { ["colour"]=> string(5) "black" ["name"]=> string(6) "Toyota" ["type"]=> string(6) "Celica" ["manufactured"]=> string(4) "1991" } asort($array); var_dump($array); // array(4) { ["manufactured"]=> string(4) "1991" ["type"]=> string(6) "Celica" ["name"]=> string(6) "Toyota" ["colour"]=> string(5) "black" } sort($array); var_dump($array); // array(4) { [0]=> string(4) "1991" [1]=> string(6) "Celica" [2]=> string(6) "Toyota" [3]=> string(5) "black" } ksort($array); var_dump($array); // array(4) { ["colour"]=> string(5) "black" ["manufactured"]=> string(4) "1991" ["name"]=> string(6) "Toyota" ["type"]=> string(6) "Celica" } </pre> }} {{attention|Pour trier de l'Unicode il faut utiliser le flag "SORT_LOCALE_STRING".}} Exemple : <pre> $array = ['à', 'i', 'o', 'u', 'é']; sort($array); print_r($array); setlocale(LC_COLLATE, 'fr'); // parfois 'fr_FR.UTF-8' sort($array, SORT_LOCALE_STRING); print_r($array); </pre> donne : Array ( [0] => i [1] => o [2] => u [3] => à [4] => é ) Array ( [0] => à [1] => é [2] => i [3] => o [4] => u ) == Tableaux multi-dimensionnels == La clé d’un tableau peut pointer sur un second tableau créant ainsi un tableau multi-dimensionnel. {{Principe | contenu = <pre> $indiv[] = [ 'nom' => 'Hubert', 'poste' => 'Gérant', 'Email' => 'hubert@example.com', 'idBureau' => 1, ]; $indiv[] = [ 'nom' => 'Jean', 'poste' => 'Réceptionniste', 'Email' => 'reception@example.com', 'idBureau' => 1, ]; $indiv[] = [ 'nom' => 'Amélie', 'poste' => 'Président', 'Email' => 'contact@example2.com', 'idBureau' => 2, ]; $affBureau = 1; foreach ($indiv as $no => $data) { if ($data['idBureau'] == $affBureau) { echo $no .'-'. $data['nom'] .' <i>'. $data['poste'] .'</i> : '. $data['Email'] .'<br />'; } } </pre> }} Résultat : : 0-Hubert ''Gérant'' : hubert@example.com : 1-Jean ''Réceptionniste'' : reception@example.com : '''NB :''' Dans cet exemple, une base de données serait sûrement plus adéquate. == ArrayAccess == Cette classe native permet de redéfinir l'opérateur d'index (<code>[]</code>) dans les objets qui en héritent. Par exemple, pour lui faire accepter un autre tableau ou NULL comme index, ou déclencher un évènement quand on le modifie<ref>http://php.net/manual/fr/class.arrayaccess.php</ref>. == Destructuration == PHP ne gère pas la destructuration avec l'opérateur égal comme le fait JavaScript ou Python (ex : <code>x, y = getXY()</code>). À la place, il propose plusieurs fonctions : * <code>list($x, $y)</code> : traite les variables en paramètre comme un tableau<ref>http://php.net/manual/fr/function.list.php</ref>. Ex : <code>list($x, $y) = getArrayWithTwoLines();</code> * <code>compact($x, $y)</code> : crée un tableau avec les noms des variables en paramètre comme clés, et leurs valeurs comme valeurs<ref>http://php.net/manual/fr/function.compact.php</ref>. * <code>extract($tableau)</code> : déclare et assigne une variable pour chaque ligne du tableau en paramètre, de nom la clé de la ligne, et de valeur la valeur de la ligne<ref>http://php.net/manual/fr/function.extract.php</ref> (contraire de <code>compact()</code>). == Références == {{Références}} 73zdl8p67pf330sjjw6oy6l7bwo01yb 0 65772 762426 755734 2026-03-28T14:00:58Z Mewtow 31375 762426 wikitext text/x-wiki Dans ce chapitre, nous allons définir ce qui fait qu'un ordinateur est plus rapide qu'un autre. Et c'est loin d'être une chose triviale. De nombreux paramètres font qu'un ordinateur sera plus rapide qu'un autre. Nous n'allons pas tous les voir, mais nous devons aborder les principaux. De plus, la performance ne signifie pas la même chose selon le composant dont on parle. La performance d'un processeur n'est ainsi pas comparable à la performance d'une mémoire ou d'un périphérique. Nous allons nous concentrer sur la performance du processeur, des mémoires et des bus de communication. Les entrée-sorties sont très diverses, et il faudrait étudier chaque entrée-sortie au cas par cas. ==La performance du processeur== Concevoir un processeur n'est pas une chose facile et en concevoir un qui soit rapide l'est encore moins, surtout de nos jours. Pour comprendre ce qui fait la rapidité d'un processeur, nous allons devoir déterminer ce qui fait qu'un programme lancé sur notre processeur va prendre plus ou moins de temps pour s’exécuter. ===Le temps d’exécution d'une instruction : CPI et fréquence=== Le temps que met un programme pour s’exécuter est le produit : * du nombre moyen d'instructions exécutées par le programme ; * de la durée moyenne d'une instruction, en seconde. : <math>T = N \times T_\text{instruction}</math>, avec N le nombre moyen d'instruction du programme et <math>T_\text{instruction}</math> la durée moyenne d'une instruction. Le nombre moyen d'instructions exécuté par un programme s'appelle l'''Instruction path length'', ou encore '''longueur du chemin d'instruction''' en français. Si on utilise le nombre ''moyen'' d’instructions, c'est car il n'est pas forcément le même d'une exécution à l'autre. Par exemple, certaines sections de code ne sont exécutées que si une condition bien spécifique est remplie, d'autres sont répétées en boucle, etc. Tout cela deviendra plus clair quand nous aborderons les instructions et les structures de contrôle, dans un chapitre dédié. Le temps d’exécution d'une instruction peut s'exprimer en secondes, mais on peut aussi l'exprimer en nombre de cycles d'horloge. Par exemple, sur les processeurs modernes, une addition va prendre un cycle d'horloge, une multiplication entre 1 et 2 cycles, etc. Cela dépend du processeur, de l'opération, et d'autres paramètres assez compliqués. Mais on peut calculer un nombre moyen de cycle d'horloge par opération : le '''CPI (''Cycle Per Instruction'')'''. Le temps d’exécution moyen d'une instruction dépend alors : * du nombre moyen de cycles d'horloge nécessaires pour exécuter une instruction, qu'on notera '''CPI''' (ce qui est l'abréviation de ''Cycle Per Instruction'') ; * et de la durée d'un cycle d'horloge, notée P (P pour période). : <math>T_\text{instruction} = CPI \times P</math> Quand on sait que la durée d'un cycle d'horloge n'est autre que l'inverse de la fréquence on peut reformuler en : : <math>T_\text{instruction} = \frac{CPI}{f}</math>, avec f la fréquence. ===La puissance de calcul : IPC et fréquence=== On peut rendre compte de la puissance du processeur par une seconde approche. Au lieu de faire intervenir le temps mis pour exécuter une instruction, on peut utiliser la '''puissance de calcul''', à savoir le nombre de calculs que l'ordinateur peut faire par seconde. En toute rigueur, cette puissance de calcul se mesure en nombre d'instructions par secondes, une unité qui porte le nom de IPS. En pratique, la puissance de calcul se mesure en '''MIPS''' : ''Million Instructions Per Second'', (million de calculs par seconde en français). Plus un processeur a un MIPS élevé, plus il sera rapide : un processeur avec un faible MIPS mettra plus de temps à faire une même quantité de calcul qu'un processeur avec un fort MIPS. Le MIPS est surtout utilisé comme estimation de la puissance de calcul sur des nombres entiers. Mais il existe cependant une mesure annexe, utilisée pour la puissance de calcul sur les nombres flottants : le '''FLOPS''', à savoir le nombre d'opérations flottantes par seconde. Par définition, le nombre d'instruction par secondes se calcule en prenant le nombre d'instruction exécutée, et en divisant par le temps d’exécution, ce qui donne : : <math>IPS = \frac{N}{T} = \frac{1}{T_\text{instruction}}</math>, avec <math>T_\text{instruction}</math> le temps moyen d’exécution d'une instruction. Sachant que l'on a vu plus haut que <math>T_\text{instruction} = CPI \times P = \frac{CPI}{f}</math>, on peut faire le remplacement : : <math>IPS = \frac{1}{CPI \times P} = \frac{f}{CPI}</math> Pour simplifier les calculs, on peut remarquer que l'inverse du CPI n'est autre que le nombre de calculs qui sont effectués par cycle d'horloge. Celui-ci porte le doux nom d''''IPC (Instruction Per Cycle)'''. Celui-ci a plus de sens sur les processeurs actuels, qui peuvent effectuer plusieurs calculs en même temps, dans des circuits différents (des unités de calcul différentes, pour être précis). Sur ces ordinateurs, l'IPC est supérieur à 1. En remplaçant l'inverse du CPI par l'IPC, on a alors : : <math>IPS = IPC \times f</math> L'équation nous dit quelque chose d'assez intuitif : plus la fréquence du processeur est élevée, plus il est puissant. Cependant, des processeurs de même fréquence ont souvent des IPC différents, ce qui fait que la relation entre fréquence et puissance de calcul dépend fortement du processeur. On ne peut donc pas comparer deux processeurs sur la seule base de leur fréquence. Et si la fréquence est généralement une information qui est mentionnée lors de l'achat d'un processeur, l'IPC ne l'est pas. La raison vient du fait que la mesure de l'IPC n'est pas normalisée car l'IPC varie énormément suivant les opérations, le programme, diverses optimisations matérielles, etc. On vient de voir que le temps d’exécution d'un programme est décrit par la formule suivante : : <math>T = N \times \frac{CPI}{f} = \frac{N}{IPC \times f}</math>, avec f la fréquence. Les équations précédentes nous disent qu'il existe trois moyens pour accélérer un programme : * diminuer le nombre d'instructions à exécuter ; * diminuer le CPI (nombre de cycles par instruction) ou augmenter l'IPC ; * augmenter la fréquence. Diminuer le nombre d'instructions à exécuter dépend surtout du programmeur ou des compilateurs, et la conception du processeur n'a actuellement que peu d'impact à l'heure actuelle. Les deux autres solutions sont fortement impactées par la loi de Moore, et nous en parlerons au chapitre suivant. ==La performance d'une mémoire== Toutes les mémoires ne sont pas faites de la même façon et les différences entre mémoires sont nombreuses. Dans cette partie, on va passer en revue les différences les plus importantes. La rapidité d'une mémoire se mesure grâce à deux paramètres : le temps de latence et son débit binaire. * Le '''temps de latence''' correspond au temps qu'il faut pour effectuer une lecture ou une écriture : plus il est bas, plus la mémoire est rapide. * Le '''débit mémoire''' correspond à la quantité d'informations qui peut être récupéré ou enregistré en une seconde dans la mémoire : plus il est élevé, plus la mémoire est rapide ===Le temps d’accès d'une mémoire=== La vitesse d'une mémoire correspond au temps qu'il faut pour récupérer une information dans la mémoire, ou pour y effectuer un enregistrement. Lors d'une lecture/écriture, il faut attendre un certain temps que la mémoire finisse de lire ou d'écrire la donnée : ce délai est appelé le '''temps d'accès''', ou aussi '''temps de latence'''. Plus celui-ci est bas, plus la mémoire est rapide. Il se mesure en secondes, millisecondes, microsecondes pour les mémoires les plus rapides. Généralement, le temps de latence dépend de temps de latences plus élémentaires, qui sont appelés les '''timings mémoires'''. Cependant, tous les accès à la mémoire ne sont pas égaux en termes de temps d'accès. Généralement, lire une donnée ne prend pas le même temps que l'écrire. Dit autrement, le temps d'accès en lecture est souvent inférieur au temps d'accès en écriture. Il faut dire qu'il est beaucoup plus fréquent de lire dans une mémoire qu'y écrire, et les fabricants préfèrent donc réduire le temps d'accès en lecture. Voici les temps d'accès moyens en lecture de chaque type de mémoire : * Registres : 1 nanoseconde (10^-9) * Caches : 10 - 100 nanosecondes (10^-9) * Mémoire RAM : 1 microseconde (10^-6) * Mémoires de masse : 1 milliseconde (10^-3) ===Le débit d'une mémoire=== Enfin, toutes les mémoires n'ont pas le même '''débit binaire'''. Le débit binaire d'une mémoire est la quantité de données qu'on peut lire ou écrire par seconde. Il se mesure en octets par seconde ou en bits par seconde. Évidemment, plus ce débit est élevé, plus la mémoire sera rapide. Il ne faut pas confondre le débit et le temps d'accès. Pour faire une analogie avec les réseaux, le débit binaire peut être vu comme la bande passante, alors que le temps d'accès serait similaire au ''ping''. Il est parfaitement possible d'avoir un ''ping'' élevé avec une connexion qui télécharge très vite, et inversement. Pour la mémoire, c'est similaire. D'ailleurs, le débit binaire est parfois improprement appelé bande passante. ===Le temps de balayage=== Le '''temps de balayage''' d'une mémoire est le temps mis pour parcourir/accéder à toute la mémoire. Concrètement, il est défini en divisant la capacité de la mémoire par son débit binaire. Le résultat s'exprime en secondes. Le temps de balayage est en soi une mesure peu utilisée, sauf dans quelques applications spécifiques. C'est le temps nécessaire pour lire ou réécrire tout le contenu de la mémoire. On peut le voir comme une mesure du compromis réalisé entre la capacité de la mémoire et sa rapidité : une mémoire aura un temps de balayage d'autant plus important qu'elle est lente à capacité identique, ou qu'elle a une grande capacité à débit identique. Généralement un temps de balayage faible signifie que la mémoire est rapide par rapport à sa capacité. Comme dit plus haut, le temps d'accès est différent pour les lectures et les écritures, et il en est de même pour le débit binaire. En conséquence, le temps de balayage n'est pas le même si le balayage se fait en lecture ou en écriture. On doit donc distinguer le '''temps de balayage en lecture''' qui est le temps mis pour lire la totalité de la mémoire, et le '''temps de balayage en écriture''' qui est le temps mis pour écrire une donnée dans toute la mémoire. Généralement, on balaye une mémoire en lecture quand on veut recherche une donnée bien précise dedans. Par contre, le balayage en écriture correspond surtout aux cas où on veut réinitialiser la mémoire, la remplir tout son contenu avec des zéros afin de la remettre au même état qu'à son démarrage. Un exemple de balayage en écriture est celui d'une réinitialisation de la mémoire, à savoir remplacer le contenu de chaque case mémoire par un 0. Le temps nécessaire pour réinitialiser la mémoire n'est autre que le temps de balayage en écriture. En soi, les opérations de réinitialisation de la mémoire sont plutôt rares. Certains vieux ordinateurs effaçaient la mémoire à l'allumage, et encore pas systématiquement, mais ce n'est plus le cas de nos jours. Un cas plus familier est celui du formatage complet du disque dur. Si vous voulez formater un disque dur ou une clé USB ou tout autre support de stockage, le système d'exploitation va vous donner deux choix : le formatage rapide et le formatage complet. Le formatage rapide n'efface pas les fichiers sur le disque dur, mais utilise des stratagèmes pour que le système d'exploitation ne puisse plus savoir où ils sont sur le support de stockage. Les fichiers peuvent d'ailleurs être récupérés avec des logiciels spécialisés trouvables assez facilement. Par contre, le formatage complet efface la totalité du disque dur et effectue bel et bien une réinitialisation. Le temps mis pour formater le disque dur n'est autre que le temps de balayage en écriture. Un autre cas de réinitialisation de la mémoire est celui de l'effacement du ''framebuffer'' sur les très vielles cartes graphiques. Sur les vielles cartes graphiques, la mémoire vidéo ne servait qu'à stocker des images calculées par le processeur. Le processeur calculait l'image à afficher et l'écrivait dans la mémoire vidéo, appelée ''framebuffer''. Puis, l'image était envoyée à l'écran quand celui-ci était libre, la carte graphique gérant l'affichage. L'écran affichait généralement 60 images par secondes, et le processeur devait calculer une image en moins de 1/60ème de seconde. Mais si le processeur mettait plus de temps, l'image dans le ''framebuffer'' était un mélange de l'ancienne image et des parties de la nouvelle image déjà calculées par le processeur. L'écran affichait donc une image bizarre durant 1/60ème de seconde, ce qui donnait des légers bugs graphiques très brefs, mais visibles. Pour éviter cela, le ''framebuffer'' était effacé entre chaque image calculée par le processeur. Au lieu d'afficher un bug graphique, l'écran affichait alors une image blanche en cas de lenteur du processeur. Cette solution était possible, car les mémoires de l'époque avaient un temps de balayage en écriture assez faible. De nos jours, cette solution n'est plus utilisée, car la mémoire vidéo stocke d'autres données que l'image à afficher à l'écran, et ces données ne doivent pas être effacées. Le temps de balayage en lecture est surtout pertinent dans les cas où on recherche une donnée précise dans la mémoire. L'exemple le plus frappant est celui des antivirus, qui recherchent si une certaine suite de donnée est présente en mémoire RAM. Les antivirus scannent régulièrement la RAM à la recherche du code binaire de virus, et doivent donc balayer la RAM et appliquer des algorithmes assez complexes sur les données lues. Bref, le temps de balayage donne le temps nécessaire pour scanner la RAM, si on oublie le temps de calcul. Tous les exemples précédents demandent de scanner la RAM à la recherche d'une donnée précise, et le temps de balayage donne une borne inférieure à ce temps de recherche. Cet exemple n'est peut-être pas très réaliste, mais il deviendra plus clair dans le chapitre sur les mémoires associatives, un type de mémoire particulier conçu justement pour réduire le temps de balayage en lecture au strict minimum. Enfin, on peut aussi citer le cas où l'on souhaite vérifier le contenu de la mémoire, pour vérifier si toutes les cases mémoire fonctionnent bien. Il arrive que les mémoires RAM aient des pannes : certaines cases mémoire/adresses tombent en panne après quelques années d'utilisation, et deviennent inaccessibles. Lorsque cela arrive, tout se passe bien tant que les adresses défectueuses ne sont pas lues ou écrites. Mais quand cela arrive, les lectures renvoient des données incorrectes. Les conséquences peuvent être très variables, mais cela cause généralement des bugs assez importants, voire des écrans ou de beaux plantages. De nombreux cas d'instabilité système sont liés à ces adresses défectueuses. Il est possible de vérifier l'intégrité de la mémoire avec des logiciels spécialisés, qui vérifient chaque adresse de la mémoire un par un. Les systèmes d'exploitation modernes incorporent un logiciel de ce genre, comme Windows qui en a un d'intégré. Le BIOS ou l'UEFI de votre ordinateur a de bonnes chances d'intégrer un logiciel de ce genre. Ces logiciels de diagnostic mémoire balayent la mémoire adresse par adresse, case mémoire par case mémoire, et effectuent divers traitements dessus. Dans le cas le plus simple, ils écrivent une donnée dans chaque adresse, avant de la lire : si la donnée lue et écrite ne sont pas la même, l'adresse est défectueuse. Mais d'autres traitements sont possibles. Toujours est-il que ces utilitaires balayent la mémoire, généralement plusieurs fois. Le temps de balayage donne alors une idée du temps que mettront ces logiciels de diagnostic pour s’exécuter. ==La performance d'un bus== La performance d'un bus est quelque chose de complexe à décrire. Mais le critère principal est le '''débit binaire'''. Le débit binaire est la quantité de données que le bus peut transmettre d'un composant à un autre, par seconde. Il se mesure en octets par seconde ou en bits par seconde. Les bus haute performance sont capables de transmettre un grand nombre de données par seconde, alors que ceux de basse performance ne peuvent échanger qu'un petit nombre de données sur le bus. Le débit binaire d'un bus est influencé par deux autres paramètres : sa largeur et sa fréquence. La '''fréquence du bus''' est assez simple à comprendre : le bus est cadencé par une horloge, qui a une certaine fréquence. À chaque cycle, il transfère plusieurs bits à la fois. Le nombre de bits transmis en même temps est appelé la '''largeur du bus'''. Par exemple, un bus d'une largeur de 16 bits peut transférer deux octets par cycle d'horloge. La largeur du bus correspond au nombre de fils utilisés pour transférer les données. Si un bus peut transférer 8 bits par cycle, cela signifie que ce bus dispose de 8 fils, un par bit, chaque fil peut transmettre un bit par cycle. Le débit binaire est le produit de la largeur du bus par sa fréquence. ==Les limites de la performance des applications : le ''roofline model''== Plus haut, nous avons parlé des performances du processeur et de la mémoire de manière isolée. Dans les faits, les programmes qui s'exécutent sur un processeur utilisent les deux, et à des degrés divers. Il y a un continuum entre des programmes qui accèdent beaucoup à la mémoire et font peu de calculs, et les programmes opposé qui font beaucoup de calculs mais accèdent peu à la RAM. Un programme très gourmand en calculs profitera d'un processeur rapide, même si la mémoire RAM est lente. Et inversement, un programme qui accède beaucoup à la mémoire a besoin d'une mémoire RAM rapide, même si le processeur ne suit pas. : Dans le même genre, les personnes afficionados de jeux vidéos ont sans doute entendu parler du ''bottleneck CPU/GPU'' pour désigner les jeux vidéo dont le ''framerate'' est limité soit le CPU ou par la carte graphique. La performance est alors la responsabilité partagée du processeur et de la carte graphique, mais l'un des deux sera le facteur limitant. Pour quantifier ce genre de compromis, Samuel Williams, Andrew Waterman, et David Patterson, ont inventé le '''''roffline model''''', initialement été décrit dans cet article scientifique : * [https://people.eecs.berkeley.edu/~kubitron/cs252/handouts/papers/RooflineVyNoYellow.pdf Roofline: An Insightful Visual Performance Model for Floating-Point Programs and Multicore Architectures]. Nous allons décrire ce modèle dans ce chapitre. Il est souvent vu dans les chapitres sur les architectures parallèles dans les rares cours d'architecture des ordinateur qui en font mention, mais il s'agit bel et bien d'un modèle qui marche sur les architectures à un seul cœur/processeur. ===Le modèle de base=== Le modèle introduit le concept d''''intensité calculatoire'''. Il s'agit du nombre d'opérations réalisées pour un octet lu/écrit depuis la mémoire RAM. Elle varie suivant le programme considéré, tous les programmes n'ont pas la même intensité calculatoire. En clair, il s'agit du nombre d’opérations réalisé par un programme, divisé par le débit binaire mémoire. Le débit binaire utilisé est celui de la mémoire RAM, pas des caches, car la mémoire est supposée partagée. À forte intensité calculatoire, on fait beaucoup de calculs comparé aux accès mémoires. On demande donc plus au processeur qu'à la mémoire. À basse intensité calculatoire, on accède beaucoup à la mémoire et on fait peu d'opérations. La mémoire est donc le facteur limitant. Globalement, au-delà d'une certaine intensité calculatoire, c'est le processeur qui sera limitant (et inversement, ce sera la mémoire). Il existe un point d'équilibre où la mémoire et la performance des CPU sont tous deux des facteurs limitants, le système est parfaitement équilibré. Le ''roofline'' donne la performance totale, qui est limitée par le débit de la mémoire, par la performance maximale des CPUs parallèles exprimée en MIPS/FLOPS, et par l'intensité calculatoire. Le modèle est un simple diagramme en deux dimensions, avec l'intensité calculatoire en abscisse, et la performance en ordonnée. Plus l'intensité calculatoire augmente, plus les performances augmentent, à débit binaire égal. La mémoire est alors le facteur limitant, et on fait alors plus de calcul à débit binaire égal. Mais au-delà d'une intensité calculatoire bien précise, le débit binaire n'est plus le facteur limitant, mais c'est le processeur qui limite les performances. On a atteint un plateau dépendant des CPUs. [[File:Roofline model.png|centre|vignette|upright=2.5|Roofline model]] ===Les calculs qui permettent d'obtenir la courbe du modèle=== Pour obtenir la courbe, rien de plus simple. Le modèle part du principe qu'il y a une puissance de calcul maximale indépassable, exprimée en FLOPS ou en MIPS. Il s'agit de la limite maximale obtenable en ne tenant compte que du processeur, pas du débit de la mémoire. Elle correspond à la portion plate de la courbe. Notons la puissance de calcul maximale permise par le CPU <math>\pi</math>. Maintenant, la performance est aussi limitée par le débit binaire de la mémoire. Si l'on a un débit binaire de <math>D</math>, alors la performance maximale se calcule en multipliant ce débit binaire par l'intensité calculatoire. Ce dernier est un nombre de calculs par octet lu/écrit, on multiplie par le nombre total d'octets lus/écrits : on a bien une puissance de calcul. En notant <math>P_{RAM}</math> le résultat, on a : : <math>P_{RAM} = \beta \times I</math>, avec I l'intensité calculatoire et <math>\beta</math> le débit binaire. La puissance réelle dépend des deux limites. Elle ne peut pas dépasser la performance max permise par le CPU, pas plus qu'elle ne peut dépasser celle permise par le débit de la RAM. En clair, la performance maximale possible est la plus petite valeur entre les deux : : <math>P = \min \begin{cases} \pi\\ \beta \times I \end{cases}</math> [[File:Example of a naive Roofline model.svg|centre|vignette|upright=2.5|Roofline model avec les notations]] ===Les limites du modèle=== Il faut préciser que le modèle donne une limite maximale pour la performance. Dans les faits, les applications ne l'atteindront pas. Elle auront une performance inférieure à la limite maximale, pour une intensité arithmétique donnée. La performance réelle sera parfois très proche, parfois très éloignée de la performance maximale. [[File:Example of a Roofline model.svg|centre|vignette|upright=2.5|Performance réelle de plusieurs applications dans le Roofline model.]] Les raisons à cela sont multiples. La première est tout simplement que le processeur n'utilise pas son plein potentiel, sans que ce soit lié à la mémoire ou aux caches. Par exemple, il n'arrive pas à alimenter ses circuits de calculs pour des raisons diverses et variées. Le plafond est alors plus bas qu'il n'y parait et quelques optimisations logicielles permettent de faire remonter le plafond effectif. [[File:Roofline model in-core ceilings.png|centre|vignette|upright=2.5|Roofline model avec trois plafonds différents selon l'usage qui est fait du processeur.]] Il est aussi possible que le programme considéré n'utilise pas bien le débit binaire de la mémoire, une partie est gâchée par des accès mémoire inutiles. Diverses optimisations logicielles ou matérielles permettent alors de se rapprocher du maximum théorique dans la portion limitée par la mémoire. Sans ces optimisations, la courbe a une pente décalée vers la droite, car le programme fait moins d'accès mémoire pour une intensité arithmétique inchangée. [[File:Roofline model bandwidth ceilings.png|centre|vignette|upright=2.5|Roofline model bandwidth ceilings]] Notons que le débit binaire considéré dans le modèle est celui de la mémoire RAM. L'usage de mémoires caches change la donne d'une manière assez originale. Une mauvaise utilisation des caches fait que l'intensité arithmétique stagnera à un niveau maximal. En clair, cela se traduit par des barrières verticales sur le diagramme, que le programme ne pourra pas dépasser. Le programme restera à gauche, dans la partie limitée par la barrière. Et celle-ci est systématiquement dans la portion gauche de la courbe, celle limitée par la mémoire. [[File:Roofline model locality walls.png|centre|vignette|upright=2.5|Roofline model locality walls]] Pour résumer, le modèle peut aider les programmeurs à savoir quoi optimiser, s'ils savent faire des mesures adéquates sur un grand nombre de hardware différents. Mais il nous dit plusieurs choses importantes : un programme peut être limité soit par le CPU, soit par le débit binaire de la mémoire, soit par une mauvaise utilisation des caches. Par un programme ne se comportera de la même manière qu'un autre, les compromis seront différents du fait d'intensité arithmétiques différentes. Et suivant la machine, un même programme se comportera très différemment. Il y a donc une grande variabilité des performances d'un programme et d'une machine à l'autre. De plus, les programmeurs doivent faire face à des compromis lorsqu'ils optimisent. Par exemple, optimiser l'intensité arithmétique en améliorant l'utilisation des mémoires caches ou en réduisant les accès mémoire a du sens, mais seulement si la performance est limitée par la mémoire. Mais une telle optimisation ne servira à rien si le facteur limitant est la performance du processeur. Dans le passé, c'était surtout la performance des mémoire et du processeur qui étaient limitante. Mais de nos jours, le problème tient surtout dans les caches et la bonne utilisation de la hiérarchie mémoire, du moins pour une majorité de programmes. Les situations sont assez variables, mais les grandes lignes du hardware actuel sont là : les processeurs sont des monstres de puissance théorique, les mémoires RAM ont un débit absolument énorme, mais on se heurte aux barrières liées aux mémoires caches. <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=La hiérarchie mémoire | prevText=La hiérarchie mémoire | next=La loi de Moore et les tendances technologiques | nextText=La loi de Moore et les tendances technologiques }} </noinclude> 8r3o76gcmz2fn9og8jp3xal01lzjn4u 0 65780 762421 762403 2026-03-28T13:52:37Z Mewtow 31375 /* Les bus systèmes */ 762421 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Tout ce qui n'appartient pas à la liste du dessus est obligatoirement connecté sur les ports d'entrée-sortie et est appelé '''périphérique'''. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le CPU, qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. En théorie, le coprocesseur exécute des calculs que le CPU n'est pas capable de faire. Il y a cependant quelques exceptions, où les coprocesseurs effectuent des calculs que le CPU est capable de faire. Mais passons cela sous silence pour le moment et voyons à quoi peuvent servir ces coprocesseurs. Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont de loin les plus simples à comprendre. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante; à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Sans ce coprocesseur, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un autre exemple de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les coprocesseurs les plus connus, au-delà des coprocesseurs arithmétiques, sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. Enfin, il faut aussi citer les '''coprocesseurs pour l'accès aux périphériques'''. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un coprocesseur soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui, là encore, de la Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, du coprocesseur pour les divisions, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était le seul à communiquer avec les périphériques et les entrées-sorties. Il était utilisé presque exclusivement pour cela, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. Il est donc utilisé comme coprocesseur d'I/O, mais n'est pas que ça. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Maintenant que nous venons de voir différents types de coprocesseurs, passons maintenant aux généralités sur ceux-ci. Le CPU peut soit exécuter des programmes en parallèle du coprocesseur, soit se mettre en pause en attendant que le coprocesseur finisse son travail. Dans l'exemple des coprocesseurs arithmétiques, le processeur principal passe la main au coprocesseur et attend sagement qu'i finisse son travail. Les deux processeurs se passent donc la main pour exécuter un programme unique. On parle alors de '''coprocesseurs fortement couplés'''. Pour les autres coprocesseurs, le CPU et le coprocesseur travaillent en parallèle et exécutent des programmes différents. On a un programme qui s’exécute sur le coprocesseur, un autre qui s’exécute sur le CPU. On parle alors de '''coprocesseurs faiblement couplés'''. C'est le cas pour les coprocesseurs d'accès au périphérique, pour ceux de rendu 2D/3D, etc. Dans les deux cas, les programmes doivent être codés de manière à tirer parti du coprocesseur. Sans aide de la part du logiciel, le coprocesseur est inutilisable. Et c'est un défaut qui a été responsable de la disparition des coprocesseurs dans les ordinateurs grand public. La présence du coprocesseur étant optionnelle, les programmeurs devaient en tenir compte. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Une autre solution est de recourir à l'émulation logicielle des instructions du coprocesseur en son absence. Dans les deux cas, c'était beaucoup de complications pour pas grand-chose. Aussi, les fonctions des coprocesseurs ont aujourd'hui été intégrées dans les processeurs modernes, ce qui les rendait redondants. À l'inverse, le hardware d'une console est toujours le même d'un modèle à l'autre, contrairement à la forte variabilité des composants sur PC. Les programmeurs n'hésitaient pas à utiliser le coprocesseur, qui était là avec certitude, ils n'avaient pas à créer deux versions de leurs jeux vidéo, ni à émuler un coprocesseur absent, etc. Ajoutons que les concepteurs de consoles n'hésitent pas à utiliser des processeurs grand public dans leurs consoles, quitte à les compléter par des coprocesseurs. Au lieu de créer un processeur sur mesure, autant prendre un processeur déjà existant et le compléter avec un coprocesseur pour être plus puissant que la concurrence. Ce qui explique que les coprocesseurs graphiques et sonores ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties. Les deux termes ne sont pas synonymes. En théorie, les périphériques, sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, les câbles Ethernet de la Box internet, etc. les entrées-sorties incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les cartes d'extension sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre le périphérique et le reste de l'ordinateur. Le périphérique est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec le périphérique, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à un périphérique, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données au périphérique. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles le périphérique répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour le périphérique. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, le périphérique contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande au périphérique, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup de périphériques ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état du périphérique. Ils servent notamment à indiquer au processeur que le périphérique est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différents périphériques ne se marchent pas sur les pieds. Chaque périphérique, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel contrôleur de périphérique est le destinataire, d'autres indiquent quel est le périphérique de destination, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possible pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser un périphérique se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec un périphérique est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'un périphérique : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec le périphérique, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire pendant qu'il attend qu'un périphérique lui réponde sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les périphériques. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Les ordinateurs avec un CPU, une RAM et une ROM, sont des ordinateurs très simples. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Seuls les systèmes assez anciens, ainsi que les systèmes embarqués ou d'informatique industrielle, se contentent de l'architecture de base CPU/RAM/ROM. Aussi, nous allons voir quelques exemples de systèmes anciens, précisément des consoles de jeu. ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> pmmx68mqe408bjwu1oagxx2qmnanctm 762422 762421 2026-03-28T13:53:40Z Mewtow 31375 762422 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le CPU, qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. En théorie, le coprocesseur exécute des calculs que le CPU n'est pas capable de faire. Il y a cependant quelques exceptions, où les coprocesseurs effectuent des calculs que le CPU est capable de faire. Mais passons cela sous silence pour le moment et voyons à quoi peuvent servir ces coprocesseurs. Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont de loin les plus simples à comprendre. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante; à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Sans ce coprocesseur, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un autre exemple de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les coprocesseurs les plus connus, au-delà des coprocesseurs arithmétiques, sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. Enfin, il faut aussi citer les '''coprocesseurs pour l'accès aux périphériques'''. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un coprocesseur soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui, là encore, de la Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, du coprocesseur pour les divisions, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était le seul à communiquer avec les périphériques et les entrées-sorties. Il était utilisé presque exclusivement pour cela, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. Il est donc utilisé comme coprocesseur d'I/O, mais n'est pas que ça. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Maintenant que nous venons de voir différents types de coprocesseurs, passons maintenant aux généralités sur ceux-ci. Le CPU peut soit exécuter des programmes en parallèle du coprocesseur, soit se mettre en pause en attendant que le coprocesseur finisse son travail. Dans l'exemple des coprocesseurs arithmétiques, le processeur principal passe la main au coprocesseur et attend sagement qu'i finisse son travail. Les deux processeurs se passent donc la main pour exécuter un programme unique. On parle alors de '''coprocesseurs fortement couplés'''. Pour les autres coprocesseurs, le CPU et le coprocesseur travaillent en parallèle et exécutent des programmes différents. On a un programme qui s’exécute sur le coprocesseur, un autre qui s’exécute sur le CPU. On parle alors de '''coprocesseurs faiblement couplés'''. C'est le cas pour les coprocesseurs d'accès au périphérique, pour ceux de rendu 2D/3D, etc. Dans les deux cas, les programmes doivent être codés de manière à tirer parti du coprocesseur. Sans aide de la part du logiciel, le coprocesseur est inutilisable. Et c'est un défaut qui a été responsable de la disparition des coprocesseurs dans les ordinateurs grand public. La présence du coprocesseur étant optionnelle, les programmeurs devaient en tenir compte. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Une autre solution est de recourir à l'émulation logicielle des instructions du coprocesseur en son absence. Dans les deux cas, c'était beaucoup de complications pour pas grand-chose. Aussi, les fonctions des coprocesseurs ont aujourd'hui été intégrées dans les processeurs modernes, ce qui les rendait redondants. À l'inverse, le hardware d'une console est toujours le même d'un modèle à l'autre, contrairement à la forte variabilité des composants sur PC. Les programmeurs n'hésitaient pas à utiliser le coprocesseur, qui était là avec certitude, ils n'avaient pas à créer deux versions de leurs jeux vidéo, ni à émuler un coprocesseur absent, etc. Ajoutons que les concepteurs de consoles n'hésitent pas à utiliser des processeurs grand public dans leurs consoles, quitte à les compléter par des coprocesseurs. Au lieu de créer un processeur sur mesure, autant prendre un processeur déjà existant et le compléter avec un coprocesseur pour être plus puissant que la concurrence. Ce qui explique que les coprocesseurs graphiques et sonores ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties. Les deux termes ne sont pas synonymes. En théorie, les périphériques, sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, les câbles Ethernet de la Box internet, etc. les entrées-sorties incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les cartes d'extension sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre le périphérique et le reste de l'ordinateur. Le périphérique est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec le périphérique, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à un périphérique, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données au périphérique. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles le périphérique répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour le périphérique. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, le périphérique contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande au périphérique, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup de périphériques ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état du périphérique. Ils servent notamment à indiquer au processeur que le périphérique est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différents périphériques ne se marchent pas sur les pieds. Chaque périphérique, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel contrôleur de périphérique est le destinataire, d'autres indiquent quel est le périphérique de destination, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possible pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser un périphérique se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec un périphérique est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'un périphérique : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec le périphérique, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire pendant qu'il attend qu'un périphérique lui réponde sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les périphériques. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Les ordinateurs avec un CPU, une RAM et une ROM, sont des ordinateurs très simples. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Seuls les systèmes assez anciens, ainsi que les systèmes embarqués ou d'informatique industrielle, se contentent de l'architecture de base CPU/RAM/ROM. Aussi, nous allons voir quelques exemples de systèmes anciens, précisément des consoles de jeu. ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> dxtloflb8msj3c8473u5dfjhpv6jgpz 762423 762422 2026-03-28T13:55:05Z Mewtow 31375 /* L'interface avec le reste de l'ordinateur */ 762423 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le CPU, qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. En théorie, le coprocesseur exécute des calculs que le CPU n'est pas capable de faire. Il y a cependant quelques exceptions, où les coprocesseurs effectuent des calculs que le CPU est capable de faire. Mais passons cela sous silence pour le moment et voyons à quoi peuvent servir ces coprocesseurs. Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont de loin les plus simples à comprendre. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante; à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Sans ce coprocesseur, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un autre exemple de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les coprocesseurs les plus connus, au-delà des coprocesseurs arithmétiques, sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. Enfin, il faut aussi citer les '''coprocesseurs pour l'accès aux périphériques'''. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un coprocesseur soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui, là encore, de la Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, du coprocesseur pour les divisions, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était le seul à communiquer avec les périphériques et les entrées-sorties. Il était utilisé presque exclusivement pour cela, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. Il est donc utilisé comme coprocesseur d'I/O, mais n'est pas que ça. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Maintenant que nous venons de voir différents types de coprocesseurs, passons maintenant aux généralités sur ceux-ci. Le CPU peut soit exécuter des programmes en parallèle du coprocesseur, soit se mettre en pause en attendant que le coprocesseur finisse son travail. Dans l'exemple des coprocesseurs arithmétiques, le processeur principal passe la main au coprocesseur et attend sagement qu'i finisse son travail. Les deux processeurs se passent donc la main pour exécuter un programme unique. On parle alors de '''coprocesseurs fortement couplés'''. Pour les autres coprocesseurs, le CPU et le coprocesseur travaillent en parallèle et exécutent des programmes différents. On a un programme qui s’exécute sur le coprocesseur, un autre qui s’exécute sur le CPU. On parle alors de '''coprocesseurs faiblement couplés'''. C'est le cas pour les coprocesseurs d'accès au périphérique, pour ceux de rendu 2D/3D, etc. Dans les deux cas, les programmes doivent être codés de manière à tirer parti du coprocesseur. Sans aide de la part du logiciel, le coprocesseur est inutilisable. Et c'est un défaut qui a été responsable de la disparition des coprocesseurs dans les ordinateurs grand public. La présence du coprocesseur étant optionnelle, les programmeurs devaient en tenir compte. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Une autre solution est de recourir à l'émulation logicielle des instructions du coprocesseur en son absence. Dans les deux cas, c'était beaucoup de complications pour pas grand-chose. Aussi, les fonctions des coprocesseurs ont aujourd'hui été intégrées dans les processeurs modernes, ce qui les rendait redondants. À l'inverse, le hardware d'une console est toujours le même d'un modèle à l'autre, contrairement à la forte variabilité des composants sur PC. Les programmeurs n'hésitaient pas à utiliser le coprocesseur, qui était là avec certitude, ils n'avaient pas à créer deux versions de leurs jeux vidéo, ni à émuler un coprocesseur absent, etc. Ajoutons que les concepteurs de consoles n'hésitent pas à utiliser des processeurs grand public dans leurs consoles, quitte à les compléter par des coprocesseurs. Au lieu de créer un processeur sur mesure, autant prendre un processeur déjà existant et le compléter avec un coprocesseur pour être plus puissant que la concurrence. Ce qui explique que les coprocesseurs graphiques et sonores ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties. Les deux termes ne sont pas synonymes. En théorie, les périphériques, sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, les câbles Ethernet de la Box internet, etc. les entrées-sorties incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les cartes d'extension sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre le périphérique et le reste de l'ordinateur. Le périphérique est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état du périphérique. Ils servent notamment à indiquer au processeur que le périphérique est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différents périphériques ne se marchent pas sur les pieds. Chaque périphérique, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel contrôleur de périphérique est le destinataire, d'autres indiquent quel est le périphérique de destination, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possible pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser un périphérique se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec un périphérique est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'un périphérique : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec le périphérique, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire pendant qu'il attend qu'un périphérique lui réponde sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les périphériques. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Les ordinateurs avec un CPU, une RAM et une ROM, sont des ordinateurs très simples. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Seuls les systèmes assez anciens, ainsi que les systèmes embarqués ou d'informatique industrielle, se contentent de l'architecture de base CPU/RAM/ROM. Aussi, nous allons voir quelques exemples de systèmes anciens, précisément des consoles de jeu. ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> apxf18utmsp2s3mwqrd06e6u7r06ygf 762424 762423 2026-03-28T13:57:33Z Mewtow 31375 /* Les entrées-sorties */ 762424 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le CPU, qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. En théorie, le coprocesseur exécute des calculs que le CPU n'est pas capable de faire. Il y a cependant quelques exceptions, où les coprocesseurs effectuent des calculs que le CPU est capable de faire. Mais passons cela sous silence pour le moment et voyons à quoi peuvent servir ces coprocesseurs. Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont de loin les plus simples à comprendre. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante; à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Sans ce coprocesseur, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un autre exemple de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les coprocesseurs les plus connus, au-delà des coprocesseurs arithmétiques, sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. Enfin, il faut aussi citer les '''coprocesseurs pour l'accès aux périphériques'''. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un coprocesseur soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui, là encore, de la Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, du coprocesseur pour les divisions, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était le seul à communiquer avec les périphériques et les entrées-sorties. Il était utilisé presque exclusivement pour cela, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. Il est donc utilisé comme coprocesseur d'I/O, mais n'est pas que ça. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Maintenant que nous venons de voir différents types de coprocesseurs, passons maintenant aux généralités sur ceux-ci. Le CPU peut soit exécuter des programmes en parallèle du coprocesseur, soit se mettre en pause en attendant que le coprocesseur finisse son travail. Dans l'exemple des coprocesseurs arithmétiques, le processeur principal passe la main au coprocesseur et attend sagement qu'i finisse son travail. Les deux processeurs se passent donc la main pour exécuter un programme unique. On parle alors de '''coprocesseurs fortement couplés'''. Pour les autres coprocesseurs, le CPU et le coprocesseur travaillent en parallèle et exécutent des programmes différents. On a un programme qui s’exécute sur le coprocesseur, un autre qui s’exécute sur le CPU. On parle alors de '''coprocesseurs faiblement couplés'''. C'est le cas pour les coprocesseurs d'accès au périphérique, pour ceux de rendu 2D/3D, etc. Dans les deux cas, les programmes doivent être codés de manière à tirer parti du coprocesseur. Sans aide de la part du logiciel, le coprocesseur est inutilisable. Et c'est un défaut qui a été responsable de la disparition des coprocesseurs dans les ordinateurs grand public. La présence du coprocesseur étant optionnelle, les programmeurs devaient en tenir compte. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Une autre solution est de recourir à l'émulation logicielle des instructions du coprocesseur en son absence. Dans les deux cas, c'était beaucoup de complications pour pas grand-chose. Aussi, les fonctions des coprocesseurs ont aujourd'hui été intégrées dans les processeurs modernes, ce qui les rendait redondants. À l'inverse, le hardware d'une console est toujours le même d'un modèle à l'autre, contrairement à la forte variabilité des composants sur PC. Les programmeurs n'hésitaient pas à utiliser le coprocesseur, qui était là avec certitude, ils n'avaient pas à créer deux versions de leurs jeux vidéo, ni à émuler un coprocesseur absent, etc. Ajoutons que les concepteurs de consoles n'hésitent pas à utiliser des processeurs grand public dans leurs consoles, quitte à les compléter par des coprocesseurs. Au lieu de créer un processeur sur mesure, autant prendre un processeur déjà existant et le compléter avec un coprocesseur pour être plus puissant que la concurrence. Ce qui explique que les coprocesseurs graphiques et sonores ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties. Les deux termes ne sont pas synonymes. En théorie, les périphériques, sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, les câbles Ethernet de la Box internet, etc. les entrées-sorties incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les cartes d'extension sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire pendant qu'il attend qu'un périphérique lui réponde sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les périphériques. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Les ordinateurs avec un CPU, une RAM et une ROM, sont des ordinateurs très simples. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Seuls les systèmes assez anciens, ainsi que les systèmes embarqués ou d'informatique industrielle, se contentent de l'architecture de base CPU/RAM/ROM. Aussi, nous allons voir quelques exemples de systèmes anciens, précisément des consoles de jeu. ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 5dpic0wvq0lrybgah4l1320ubzg2dd5 762425 762424 2026-03-28T13:58:44Z Mewtow 31375 /* Le bus de communication */ 762425 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le CPU, qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. En théorie, le coprocesseur exécute des calculs que le CPU n'est pas capable de faire. Il y a cependant quelques exceptions, où les coprocesseurs effectuent des calculs que le CPU est capable de faire. Mais passons cela sous silence pour le moment et voyons à quoi peuvent servir ces coprocesseurs. Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont de loin les plus simples à comprendre. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante; à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Sans ce coprocesseur, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un autre exemple de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les coprocesseurs les plus connus, au-delà des coprocesseurs arithmétiques, sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. Enfin, il faut aussi citer les '''coprocesseurs pour l'accès aux périphériques'''. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un coprocesseur soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui, là encore, de la Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, du coprocesseur pour les divisions, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était le seul à communiquer avec les périphériques et les entrées-sorties. Il était utilisé presque exclusivement pour cela, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. Il est donc utilisé comme coprocesseur d'I/O, mais n'est pas que ça. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Maintenant que nous venons de voir différents types de coprocesseurs, passons maintenant aux généralités sur ceux-ci. Le CPU peut soit exécuter des programmes en parallèle du coprocesseur, soit se mettre en pause en attendant que le coprocesseur finisse son travail. Dans l'exemple des coprocesseurs arithmétiques, le processeur principal passe la main au coprocesseur et attend sagement qu'i finisse son travail. Les deux processeurs se passent donc la main pour exécuter un programme unique. On parle alors de '''coprocesseurs fortement couplés'''. Pour les autres coprocesseurs, le CPU et le coprocesseur travaillent en parallèle et exécutent des programmes différents. On a un programme qui s’exécute sur le coprocesseur, un autre qui s’exécute sur le CPU. On parle alors de '''coprocesseurs faiblement couplés'''. C'est le cas pour les coprocesseurs d'accès au périphérique, pour ceux de rendu 2D/3D, etc. Dans les deux cas, les programmes doivent être codés de manière à tirer parti du coprocesseur. Sans aide de la part du logiciel, le coprocesseur est inutilisable. Et c'est un défaut qui a été responsable de la disparition des coprocesseurs dans les ordinateurs grand public. La présence du coprocesseur étant optionnelle, les programmeurs devaient en tenir compte. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Une autre solution est de recourir à l'émulation logicielle des instructions du coprocesseur en son absence. Dans les deux cas, c'était beaucoup de complications pour pas grand-chose. Aussi, les fonctions des coprocesseurs ont aujourd'hui été intégrées dans les processeurs modernes, ce qui les rendait redondants. À l'inverse, le hardware d'une console est toujours le même d'un modèle à l'autre, contrairement à la forte variabilité des composants sur PC. Les programmeurs n'hésitaient pas à utiliser le coprocesseur, qui était là avec certitude, ils n'avaient pas à créer deux versions de leurs jeux vidéo, ni à émuler un coprocesseur absent, etc. Ajoutons que les concepteurs de consoles n'hésitent pas à utiliser des processeurs grand public dans leurs consoles, quitte à les compléter par des coprocesseurs. Au lieu de créer un processeur sur mesure, autant prendre un processeur déjà existant et le compléter avec un coprocesseur pour être plus puissant que la concurrence. Ce qui explique que les coprocesseurs graphiques et sonores ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties. Les deux termes ne sont pas synonymes. En théorie, les périphériques, sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, les câbles Ethernet de la Box internet, etc. les entrées-sorties incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les cartes d'extension sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Les ordinateurs avec un CPU, une RAM et une ROM, sont des ordinateurs très simples. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Seuls les systèmes assez anciens, ainsi que les systèmes embarqués ou d'informatique industrielle, se contentent de l'architecture de base CPU/RAM/ROM. Aussi, nous allons voir quelques exemples de systèmes anciens, précisément des consoles de jeu. ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 1rx6chc75alxc0ff26btp5tgiiww4tu 762436 762425 2026-03-28T14:41:17Z Mewtow 31375 /* Les coprocesseurs */ 762436 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le CPU, qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. En théorie, le coprocesseur exécute des calculs que le CPU n'est pas capable de faire. Il y a cependant quelques exceptions, où les coprocesseurs effectuent des calculs que le CPU est capable de faire. Mais passons cela sous silence pour le moment et voyons à quoi peuvent servir ces coprocesseurs. Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont de loin les plus simples à comprendre. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un autre exemple de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les coprocesseurs les plus connus, au-delà des coprocesseurs arithmétiques, sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. Enfin, il faut aussi citer les '''coprocesseurs pour l'accès aux périphériques'''. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un coprocesseur soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui, là encore, de la Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, du coprocesseur pour les divisions, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était le seul à communiquer avec les périphériques et les entrées-sorties. Il était utilisé presque exclusivement pour cela, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. Il est donc utilisé comme coprocesseur d'I/O, mais n'est pas que ça. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les co-processeurs étaient peu utilisés sur les PC grand public, pour diverses raisons. La principale est que les programmes doivent être codés de manière à tirer parti du coprocesseur. Sans aide de la part du logiciel, le coprocesseur est inutilisable. Mais la présence du coprocesseur étant optionnelle, les programmeurs doivent coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Une autre solution est de recourir à l'émulation logicielle des instructions du coprocesseur en son absence. Dans les deux cas, c'était beaucoup de complications pour pas grand-chose. À l'inverse, le hardware d'une console est toujours le même d'un modèle à l'autre, contrairement à la forte variabilité des composants sur PC. Les programmeurs n'hésitaient pas à utiliser le coprocesseur, qui était là avec certitude, ils n'avaient pas à créer deux versions de leurs jeux vidéo, ni à émuler un coprocesseur absent, etc. Ajoutons que les concepteurs de consoles n'hésitent pas à utiliser des processeurs grand public dans leurs consoles, quitte à les compléter par des coprocesseurs. Au lieu de créer un processeur sur mesure, autant prendre un processeur déjà existant et le compléter avec un coprocesseur pour être plus puissant que la concurrence. Ce qui explique que les coprocesseurs graphiques et sonores ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties. Les deux termes ne sont pas synonymes. En théorie, les périphériques, sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, les câbles Ethernet de la Box internet, etc. les entrées-sorties incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les cartes d'extension sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Les ordinateurs avec un CPU, une RAM et une ROM, sont des ordinateurs très simples. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Seuls les systèmes assez anciens, ainsi que les systèmes embarqués ou d'informatique industrielle, se contentent de l'architecture de base CPU/RAM/ROM. Aussi, nous allons voir quelques exemples de systèmes anciens, précisément des consoles de jeu. ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> huyy63wh6lqtb22bazd0y8cdszhoabl 762438 762436 2026-03-28T14:47:21Z Mewtow 31375 /* Les coprocesseurs */ 762438 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le CPU, qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les programmes doivent être codés de manière à tirer parti du coprocesseur. Sans aide de la part du logiciel, le coprocesseur est inutilisable. Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont de loin les plus simples à comprendre. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les coprocesseurs les plus connus, au-delà des coprocesseurs arithmétiques, sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. Enfin, il faut aussi citer les '''coprocesseurs pour l'accès aux périphériques'''. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un coprocesseur soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui, là encore, de la Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, du coprocesseur pour les divisions, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était le seul à communiquer avec les périphériques et les entrées-sorties. Il était utilisé presque exclusivement pour cela, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. Il est donc utilisé comme coprocesseur d'I/O, mais n'est pas que ça. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties. Les deux termes ne sont pas synonymes. En théorie, les périphériques, sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, les câbles Ethernet de la Box internet, etc. les entrées-sorties incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les cartes d'extension sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Les ordinateurs avec un CPU, une RAM et une ROM, sont des ordinateurs très simples. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Seuls les systèmes assez anciens, ainsi que les systèmes embarqués ou d'informatique industrielle, se contentent de l'architecture de base CPU/RAM/ROM. Aussi, nous allons voir quelques exemples de systèmes anciens, précisément des consoles de jeu. ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> s994tzij3cvtdn18oxy8lb9algrp27o 762440 762438 2026-03-28T14:55:13Z Mewtow 31375 /* Les coprocesseurs */ 762440 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le CPU, qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les programmes doivent être codés de manière à tirer parti du coprocesseur. Sans aide de la part du logiciel, le coprocesseur est inutilisable. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. Enfin, il faut aussi citer les '''coprocesseurs pour l'accès aux périphériques'''. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un coprocesseur soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui, là encore, de la Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était le seul à communiquer avec les périphériques et les entrées-sorties. Il était utilisé presque exclusivement pour cela, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. Il est donc utilisé comme coprocesseur d'I/O, mais n'est pas que ça. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties. Les deux termes ne sont pas synonymes. En théorie, les périphériques, sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, les câbles Ethernet de la Box internet, etc. les entrées-sorties incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les cartes d'extension sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Les ordinateurs avec un CPU, une RAM et une ROM, sont des ordinateurs très simples. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Seuls les systèmes assez anciens, ainsi que les systèmes embarqués ou d'informatique industrielle, se contentent de l'architecture de base CPU/RAM/ROM. Aussi, nous allons voir quelques exemples de systèmes anciens, précisément des consoles de jeu. ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> tbafg0qj79b7ks5xte52b0ttozr1k4g 762441 762440 2026-03-28T14:58:15Z Mewtow 31375 /* Les coprocesseurs */ 762441 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui, là encore, de la Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était le seul à communiquer avec les périphériques et les entrées-sorties. Il était utilisé presque exclusivement pour cela, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. Il est donc utilisé comme coprocesseur d'I/O, mais n'est pas que ça. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties. Les deux termes ne sont pas synonymes. En théorie, les périphériques, sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, les câbles Ethernet de la Box internet, etc. les entrées-sorties incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les cartes d'extension sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Les ordinateurs avec un CPU, une RAM et une ROM, sont des ordinateurs très simples. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Seuls les systèmes assez anciens, ainsi que les systèmes embarqués ou d'informatique industrielle, se contentent de l'architecture de base CPU/RAM/ROM. Aussi, nous allons voir quelques exemples de systèmes anciens, précisément des consoles de jeu. ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 0v9hf464t613b1nmkpe7c3t9hxqkikm 762442 762441 2026-03-28T14:58:55Z Mewtow 31375 /* Les coprocesseurs */ 762442 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties. Les deux termes ne sont pas synonymes. En théorie, les périphériques, sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, les câbles Ethernet de la Box internet, etc. les entrées-sorties incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les cartes d'extension sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Les ordinateurs avec un CPU, une RAM et une ROM, sont des ordinateurs très simples. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Seuls les systèmes assez anciens, ainsi que les systèmes embarqués ou d'informatique industrielle, se contentent de l'architecture de base CPU/RAM/ROM. Aussi, nous allons voir quelques exemples de systèmes anciens, précisément des consoles de jeu. ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 5e2c70hl5bnw3c3pimm3o0pv5tppwzc 762446 762442 2026-03-28T17:48:42Z Mewtow 31375 /* Les entrées-sorties */ 762446 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Les ordinateurs avec un CPU, une RAM et une ROM, sont des ordinateurs très simples. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Seuls les systèmes assez anciens, ainsi que les systèmes embarqués ou d'informatique industrielle, se contentent de l'architecture de base CPU/RAM/ROM. Aussi, nous allons voir quelques exemples de systèmes anciens, précisément des consoles de jeu. ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> fxtpihiymrdji8nvl9ia00kge49hf67 762447 762446 2026-03-28T18:53:43Z Mewtow 31375 /* Étude de quelques exemples d'architectures */ 762447 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. : Les microcontrôleurs et ''System On Chip'' ont eu aussi un grand nombre d'entrées-sorties, mais c'est encore pire. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. C'est la raison pour laquelle nous évitons soigneusement de tels systèmes pour le moment. Les consoles de jeu 8/16 bits sont elles plus simples. Elles ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] ==Les ''system on chip'' et microcontrôleurs== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Un exemple d'intégration assez similaire aux SoC est le cas des '''microcontrôleurs''', des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> acsrpjjsoxhhzc6cqy645kd455xmyb3 762448 762447 2026-03-28T18:55:08Z Mewtow 31375 762448 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur),etc. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. : Les microcontrôleurs et ''System On Chip'' ont eu aussi un grand nombre d'entrées-sorties, mais c'est encore pire. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. C'est la raison pour laquelle nous évitons soigneusement de tels systèmes pour le moment. Les consoles de jeu 8/16 bits sont elles plus simples. Elles ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 2cumnl4pvmws8udt263cilbf7b72718 762449 762448 2026-03-28T18:56:44Z Mewtow 31375 /* Les microcontrôleurs */ 762449 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. : Les microcontrôleurs et ''System On Chip'' ont eu aussi un grand nombre d'entrées-sorties, mais c'est encore pire. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. C'est la raison pour laquelle nous évitons soigneusement de tels systèmes pour le moment. Les consoles de jeu 8/16 bits sont elles plus simples. Elles ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> gjcgasttvko4xd82024goflfy0qhvjq 762450 762449 2026-03-28T18:56:53Z Mewtow 31375 /* Les microcontrôleurs et system on chip */ 762450 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. : Les microcontrôleurs et ''System On Chip'' ont eu aussi un grand nombre d'entrées-sorties, mais c'est encore pire. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. C'est la raison pour laquelle nous évitons soigneusement de tels systèmes pour le moment. Les consoles de jeu 8/16 bits sont elles plus simples. Elles ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 8kst45001bh11j3zvmovad41ero9qnp 762451 762450 2026-03-28T19:01:03Z Mewtow 31375 /* Étude de quelques exemples d'architectures */ 762451 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la console de jeu NES=== Dans cette section, nous allons étudier l'exemple de la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Les entrées-sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. La carte graphique est connectée à 2 KB de RAM, séparée de la RAM normale, via un bus séparé. De plus, la carte graphique est connectée via un autre bus à une ROM/RAM qui contient les sprites et textures du jeu, qui est dans la cartouche. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. L'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base avec un bus système : on ne trouve pas un seul bus de communication, mais plusieurs. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, on a un bus qui connecte le processeur aux autres entrées-sorties, séparé des bus pour les mémoires. Ce bus est relié à la carte graphique et la carte sonore. Mais il n'est pas le seul bus dédié aux périphériques : les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié ! ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 520lrxewoe1npj9wzuzrf0fl93nshdf 762452 762451 2026-03-28T19:08:48Z Mewtow 31375 /* L'architecture de la console de jeu NES */ 762452 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la console de jeu NES=== En premier lieu, nous allons voir la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROm est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Pour ce qui est des entrées, il n'y a que les manettes. Les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié. Difficile de faire plus simple. Les sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La carte son est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La carte graphique est le composant qui es t en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs. Elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques fixes, non-programmables. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 2 KB de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo'''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. De plus, la carte graphique est connectée à la cartouche de jeu via un autre bus, afin de pouvoir lire les sprites et textures du jeu dans la cartouche. Au final, l'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, il y a un bus dédié aux entrées-sorties, séparé des bus mémoire, qui est relié à la carte graphique et la carte sonore. Enfin, la carte graphique a droit à ses propres bus pour lire dans la cartouche et dans sa RAM vidéo dédiée. ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 81u9xjatbgd3pru4pyj8m5zl8aqx337 762453 762452 2026-03-28T19:09:25Z Mewtow 31375 /* L'architecture de la console de jeu NES */ 762453 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la console de jeu NES=== En premier lieu, nous allons voir la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROm est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Pour ce qui est des entrées, il n'y a que les manettes. Les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié. Difficile de faire plus simple. Les sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La '''carte son''' est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La '''carte graphique''' est le composant qui est en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 2 KB de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo'''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. De plus, la carte graphique est connectée à la cartouche de jeu via un autre bus, afin de pouvoir lire les sprites et textures du jeu dans la cartouche. Au final, l'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, il y a un bus dédié aux entrées-sorties, séparé des bus mémoire, qui est relié à la carte graphique et la carte sonore. Enfin, la carte graphique a droit à ses propres bus pour lire dans la cartouche et dans sa RAM vidéo dédiée. ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Prenons maintenant l'exemple des anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> jnyhiw2sgnc6osa1im5isxrg10tsb32 762454 762453 2026-03-28T19:23:15Z Mewtow 31375 /* L'architecture des PC et son évolution */ 762454 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la console de jeu NES=== En premier lieu, nous allons voir la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROm est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Pour ce qui est des entrées, il n'y a que les manettes. Les manettes sont connectées directement sur le processeur, via un bus dédié. Difficile de faire plus simple. Les sorties sont au nombre de deux : une carte son et une carte vidéo. La '''carte son''' est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La '''carte graphique''' est le composant qui est en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 2 KB de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo'''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. De plus, la carte graphique est connectée à la cartouche de jeu via un autre bus, afin de pouvoir lire les sprites et textures du jeu dans la cartouche. Au final, l'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, il y a un bus dédié aux entrées-sorties, séparé des bus mémoire, qui est relié à la carte graphique et la carte sonore. Enfin, la carte graphique a droit à ses propres bus pour lire dans la cartouche et dans sa RAM vidéo dédiée. ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Après avoir vu les consoles, nous allons maintenant voir les anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> lntwu5k6lriu3wdgd9g7rccyvtzhttw 762455 762454 2026-03-28T19:58:00Z Mewtow 31375 /* L'architecture de la console de jeu NES */ 762455 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la TurboGraphX-16=== La console PC Engine, aussi appelée TurboGraphX, est une ancienne console 8 bits. Elle contient un processeur 65C02, 8 kibioctets de RAM, un port manettes, une carte son et une carte vidéo. La '''carte son''' est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La '''carte graphique''' est le composant qui est en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. [[File:Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16]] L'architecture de la console était particulièrement simple. Le processeur était le centre de l'architecture, tout était connecté dessus. Il y a un bus pour la cartouche de jeu, un autre pour la RAM, un autre pour les manettes, un autre pour carte son, et un dernier pour la carte graphique. Le fait d'avoir un bus par composant est assez rare et ce n'est le cas ici que parce des conditions particulières sont remplies. Déjà, il y a peu d'entrée-sorties. Ensuite, les bus font tous 8 bits, vu que le processeur est un CPU 8 bits. Avec 5 connexions de 8 bits, le tout utilise 40 broches, ce qui est beaucoup, mais totalement gérable. Par contre, les choses changerons pour les autres consoles. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 64 kibioctets de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. ===L'architecture de la console de jeu NES=== En premier lieu, nous allons voir la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM et à une mémoire ROM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de base : on a plusieurs RAM, une généraliste et une autre pour les sauvegardes. Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROm est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 2 KB de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo'''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. De plus, la carte graphique est connectée à la cartouche de jeu via un autre bus, afin de pouvoir lire les sprites et textures du jeu dans la cartouche. Au final, l'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, il y a un bus dédié aux entrées-sorties, séparé des bus mémoire, qui est relié à la carte graphique et la carte sonore. Enfin, la carte graphique a droit à ses propres bus pour lire dans la cartouche et dans sa RAM vidéo dédiée. ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Après avoir vu les consoles, nous allons maintenant voir les anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 0gs807tvx6fhihfff78glspvq0v82g8 762456 762455 2026-03-28T20:03:04Z Mewtow 31375 /* L'architecture de la console de jeu NES */ 762456 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la TurboGraphX-16=== La console PC Engine, aussi appelée TurboGraphX, est une ancienne console 8 bits. Elle contient un processeur 65C02, 8 kibioctets de RAM, un port manettes, une carte son et une carte vidéo. La '''carte son''' est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La '''carte graphique''' est le composant qui est en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. [[File:Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16]] L'architecture de la console était particulièrement simple. Le processeur était le centre de l'architecture, tout était connecté dessus. Il y a un bus pour la cartouche de jeu, un autre pour la RAM, un autre pour les manettes, un autre pour carte son, et un dernier pour la carte graphique. Le fait d'avoir un bus par composant est assez rare et ce n'est le cas ici que parce des conditions particulières sont remplies. Déjà, il y a peu d'entrée-sorties. Ensuite, les bus font tous 8 bits, vu que le processeur est un CPU 8 bits. Avec 5 connexions de 8 bits, le tout utilise 40 broches, ce qui est beaucoup, mais totalement gérable. Par contre, les choses changerons pour les autres consoles. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 64 kibioctets de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. ===L'architecture de la console de jeu NES=== En premier lieu, nous allons voir la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de la console précédente : l'ajout de la RAM pour les sauvegardes dans les cartouches. Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROM est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 2 KB de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo'''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. De plus, la carte graphique est connectée à la cartouche de jeu via un autre bus, afin de pouvoir lire les sprites et textures du jeu dans la cartouche. Au final, l'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, il y a un bus dédié aux entrées-sorties, séparé des bus mémoire, qui est relié à la carte graphique et la carte sonore. Enfin, la carte graphique a droit à ses propres bus pour lire dans la cartouche et dans sa RAM vidéo dédiée. ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Après avoir vu les consoles, nous allons maintenant voir les anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> qpiuxa3vytzho2239d0nzfudwkawe6m 762457 762456 2026-03-28T20:03:32Z Mewtow 31375 /* L'architecture de la TurboGraphX-16 */ 762457 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la TurboGraphX-16=== La console PC Engine, aussi appelée TurboGraphX, est une ancienne console 8 bits. Elle contient un processeur 65C02, 8 kibioctets de RAM, un port manettes, une carte son et une carte vidéo. La '''carte son''' est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La '''carte graphique''' est le composant qui est en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. [[File:Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16]] L'architecture de la console était particulièrement simple. Le processeur était le centre de l'architecture, tout était connecté dessus. Il y a un bus pour la cartouche de jeu, un autre pour la RAM, un autre pour les manettes, un autre pour carte son, et un dernier pour la carte graphique. Le fait d'avoir un bus par composant est assez rare et ce n'est le cas ici que parce des conditions particulières sont remplies. Déjà, il y a peu d'entrée-sorties. Ensuite, les bus font tous 8 bits, vu que le processeur est un CPU 8 bits. Avec 5 connexions de 8 bits, le tout utilise 40 broches, ce qui est beaucoup, mais totalement gérable. Par contre, les choses changerons pour les autres consoles. : Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROM est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Et il utilise des bus dédiés pour les entrées-sorties. Plusieurs, même. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 64 kibioctets de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. ===L'architecture de la console de jeu NES=== En premier lieu, nous allons voir la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de la console précédente : l'ajout de la RAM pour les sauvegardes dans les cartouches. Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROM est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, elles ne sont pas programmables, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 2 KB de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo'''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. De plus, la carte graphique est connectée à la cartouche de jeu via un autre bus, afin de pouvoir lire les sprites et textures du jeu dans la cartouche. Au final, l'organisation des bus est assez simple, bien qu'elle se démarque de l'architecture de base. Déjà, il s'agit d'une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, il y a un bus dédié aux entrées-sorties, séparé des bus mémoire, qui est relié à la carte graphique et la carte sonore. Enfin, la carte graphique a droit à ses propres bus pour lire dans la cartouche et dans sa RAM vidéo dédiée. ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Après avoir vu les consoles, nous allons maintenant voir les anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> s7q001xbf8q31knkf7m0wdqlgu87uo0 762458 762457 2026-03-28T20:05:23Z Mewtow 31375 /* L'architecture de la console de jeu NES */ 762458 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la TurboGraphX-16=== La console PC Engine, aussi appelée TurboGraphX, est une ancienne console 8 bits. Elle contient un processeur 65C02, 8 kibioctets de RAM, un port manettes, une carte son et une carte vidéo. La '''carte son''' est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La '''carte graphique''' est le composant qui est en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. [[File:Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16]] L'architecture de la console était particulièrement simple. Le processeur était le centre de l'architecture, tout était connecté dessus. Il y a un bus pour la cartouche de jeu, un autre pour la RAM, un autre pour les manettes, un autre pour carte son, et un dernier pour la carte graphique. Le fait d'avoir un bus par composant est assez rare et ce n'est le cas ici que parce des conditions particulières sont remplies. Déjà, il y a peu d'entrée-sorties. Ensuite, les bus font tous 8 bits, vu que le processeur est un CPU 8 bits. Avec 5 connexions de 8 bits, le tout utilise 40 broches, ce qui est beaucoup, mais totalement gérable. Par contre, les choses changerons pour les autres consoles. : Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROM est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Et il utilise des bus dédiés pour les entrées-sorties. Plusieurs, même. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 64 kibioctets de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. ===L'architecture de la console de jeu NES=== En premier lieu, nous allons voir la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de la console précédente : l'ajout de la RAM pour les sauvegardes dans les cartouches. Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROM est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Niveau carte graphique, il y a quelques différences avec la console précédente. Les cartes son et graphique ne sont pas des co-processeurs, et la carte graphique est associée à une mémoire vidéo, qui est cette fois de 2 KB. Une différence importante est que la carte graphique est connectée à la cartouche de jeu via un autre bus, afin de pouvoir lire les sprites et textures du jeu dans la cartouche. ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Après avoir vu les consoles, nous allons maintenant voir les anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 8oa4lag3dbcxk3dpxg4znno0z7llgyb 762459 762458 2026-03-28T20:06:19Z Mewtow 31375 /* L'architecture de la TurboGraphX-16 */ 762459 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la TurboGraphX-16=== La console PC Engine, aussi appelée TurboGraphX, est une ancienne console 8 bits. Elle contient un processeur 65C02, 8 kibioctets de RAM, un port manettes, une carte son et une carte vidéo. La '''carte son''' est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La '''carte graphique''' est le composant qui est en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. [[File:Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16]] L'architecture de la console était particulièrement simple. Le processeur était le centre de l'architecture, tout était connecté dessus. Il y a un bus pour la cartouche de jeu, un autre pour la RAM, un autre pour les manettes, un autre pour carte son, et un dernier pour la carte graphique. Le fait d'avoir un bus par composant est assez rare et ce n'est le cas ici que parce des conditions particulières sont remplies. Déjà, il y a peu d'entrée-sorties. Ensuite, les bus font tous 8 bits, vu que le processeur est un CPU 8 bits. Avec 5 connexions de 8 bits, le tout utilise 40 broches, ce qui est beaucoup, mais totalement gérable. Par contre, les choses changerons pour les autres consoles. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 64 kibioctets de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. Au final, l'organisation des bus peut s'expliquer avec ce qu'on a vu dans la section sur les bus de communication. La console utilise une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, il y a des bus dédiés aux entrées-sorties, séparés des bus mémoire. Enfin, la carte graphique a droit à ses propres bus pour lire dans la cartouche et dans sa RAM vidéo dédiée. ===L'architecture de la console de jeu NES=== En premier lieu, nous allons voir la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de la console précédente : l'ajout de la RAM pour les sauvegardes dans les cartouches. Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROM est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Niveau carte graphique, il y a quelques différences avec la console précédente. Les cartes son et graphique ne sont pas des co-processeurs, et la carte graphique est associée à une mémoire vidéo, qui est cette fois de 2 KB. Une différence importante est que la carte graphique est connectée à la cartouche de jeu via un autre bus, afin de pouvoir lire les sprites et textures du jeu dans la cartouche. ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est plus complexe que pour la NES. L'architecture est illustrée ci-dessous. La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. On remarque un changement complet au niveau des bus : il n'y a plus qu'un seul bus sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La console a donc un bus système, mais qui est malgré tout complété par un bus pour les manettes, chose assez originale. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Après avoir vu les consoles, nous allons maintenant voir les anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> fd5v6aq7bhasu6rnr6x0m2t29cc6jfw 762460 762459 2026-03-28T20:10:40Z Mewtow 31375 /* L'architecture de la SNES */ 762460 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la TurboGraphX-16=== La console PC Engine, aussi appelée TurboGraphX, est une ancienne console 8 bits. Elle contient un processeur 65C02, 8 kibioctets de RAM, un port manettes, une carte son et une carte vidéo. La '''carte son''' est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La '''carte graphique''' est le composant qui est en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. [[File:Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16]] L'architecture de la console était particulièrement simple. Le processeur était le centre de l'architecture, tout était connecté dessus. Il y a un bus pour la cartouche de jeu, un autre pour la RAM, un autre pour les manettes, un autre pour carte son, et un dernier pour la carte graphique. Le fait d'avoir un bus par composant est assez rare et ce n'est le cas ici que parce des conditions particulières sont remplies. Déjà, il y a peu d'entrée-sorties. Ensuite, les bus font tous 8 bits, vu que le processeur est un CPU 8 bits. Avec 5 connexions de 8 bits, le tout utilise 40 broches, ce qui est beaucoup, mais totalement gérable. Par contre, les choses changerons pour les autres consoles. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 64 kibioctets de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. Au final, l'organisation des bus peut s'expliquer avec ce qu'on a vu dans la section sur les bus de communication. La console utilise une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, il y a des bus dédiés aux entrées-sorties, séparés des bus mémoire. Enfin, la carte graphique a droit à ses propres bus pour lire dans la cartouche et dans sa RAM vidéo dédiée. ===L'architecture de la console de jeu NES=== En premier lieu, nous allons voir la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de la console précédente : l'ajout de la RAM pour les sauvegardes dans les cartouches. Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROM est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Niveau carte graphique, il y a quelques différences avec la console précédente. Les cartes son et graphique ne sont pas des co-processeurs, et la carte graphique est associée à une mémoire vidéo, qui est cette fois de 2 KB. Une différence importante est que la carte graphique est connectée à la cartouche de jeu via un autre bus, afin de pouvoir lire les sprites et textures du jeu dans la cartouche. ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est illustrée ci-dessous. Les changements pour le processeur et la RAM sont mineurs.La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. Par contre, on remarque un changement complet au niveau des bus. La console utilise donc un '''bus système unique''', sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Après avoir vu les consoles, nous allons maintenant voir les anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 6bpz8kq4db2sib63a5wn685l6b0xsxg 762462 762460 2026-03-28T20:41:06Z Mewtow 31375 /* L'architecture de la SNES */ 762462 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la TurboGraphX-16=== La console PC Engine, aussi appelée TurboGraphX, est une ancienne console 8 bits. Elle contient un processeur 65C02, 8 kibioctets de RAM, un port manettes, une carte son et une carte vidéo. La '''carte son''' est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La '''carte graphique''' est le composant qui est en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. [[File:Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16]] L'architecture de la console était particulièrement simple. Le processeur était le centre de l'architecture, tout était connecté dessus. Il y a un bus pour la cartouche de jeu, un autre pour la RAM, un autre pour les manettes, un autre pour carte son, et un dernier pour la carte graphique. Le fait d'avoir un bus par composant est assez rare et ce n'est le cas ici que parce des conditions particulières sont remplies. Déjà, il y a peu d'entrée-sorties. Ensuite, les bus font tous 8 bits, vu que le processeur est un CPU 8 bits. Avec 5 connexions de 8 bits, le tout utilise 40 broches, ce qui est beaucoup, mais totalement gérable. Par contre, les choses changerons pour les autres consoles. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 64 kibioctets de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. Au final, l'organisation des bus peut s'expliquer avec ce qu'on a vu dans la section sur les bus de communication. La console utilise une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, il y a des bus dédiés aux entrées-sorties, séparés des bus mémoire. Enfin, la carte graphique a droit à ses propres bus pour lire dans la cartouche et dans sa RAM vidéo dédiée. ===L'architecture de la console de jeu NES=== En premier lieu, nous allons voir la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de la console précédente : l'ajout de la RAM pour les sauvegardes dans les cartouches. Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROM est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Niveau carte graphique, il y a quelques différences avec la console précédente. Les cartes son et graphique ne sont pas des co-processeurs, et la carte graphique est associée à une mémoire vidéo, qui est cette fois de 2 KB. Une différence importante est que la carte graphique est connectée à la cartouche de jeu via un autre bus, afin de pouvoir lire les sprites et textures du jeu dans la cartouche. ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est illustrée ci-dessous. Les changements pour le processeur et la RAM sont mineurs.La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. Par contre, on remarque un changement complet au niveau des bus. La console utilise donc un '''bus système unique''', sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La transition vers un bus système s'explique par le fait que la console est maintenant de 16 bits, ce qui fait que les bus doivent être plus larges. Le processeur adresse des mémoires RAM et ROM plus grandes, ce qui double la taille de leurs bus. De plus, les entrées-sorties aussi ont besoin d'un bus plus large. Le processeur n'ayant pas un nombre illimité de broches, la seule solution est de fusionner les bus en un seul bus système. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Après avoir vu les consoles, nous allons maintenant voir les anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> 3l4vl17ehjut4ba82s2kjq453sn1qtn 762463 762462 2026-03-28T20:41:27Z Mewtow 31375 /* L'architecture de la SNES */ 762463 wikitext text/x-wiki Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux : * les '''entrées/sorties''', qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ; * une '''mémoire''' qui mémorise les données à manipuler ; * un '''processeur''', qui manipule l'information et donne un résultat. [[File:Architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un système à mémoire.]] Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Les '''périphériques''' regroupent, pour rappel, tout ce est branché sur un ordinateur, mais n'est pas à l'intérieur de celui-ci. Ces composants communiquent via un '''bus''', un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur. [[File:Architecture minimale d'un ordinateur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture minimale d'un ordinateur.]] ==La mémoire== La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est composée de plusieurs '''cases mémoire''', chacune mémorisant plusieurs bits, le nombre de bits étant identique pour toutes les cases mémoire. Dans le cas le plus simple, une case mémoire mémorise un '''octet''', un groupe de 8 bits. Mais les mémoires modernes mémorisent plusieurs octets par case mémoire : elles ont des cases mémoires de 16, 32 ou 64 bits, soit respectivement 2/4/8 octets. De rares mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 5, 6 7, 13, 17, 23, 36 ou 48 bits. Mais ce n'était pas des mémoires électroniques, aussi nous allons les passer sous silence. Tout ce qu'il faut savoir est que la quasi-totalité des mémoires électronique a un ou plusieurs octets par case mémoire. Pour simplifier, vous pouvez imaginer qu'une mémoire RAM est un regroupement de registre, chacun étant une case mémoire. C'est une description pas trop mauvaise pour décrire les mémoires RAM, qu'on abordera dans ce qui suit. {|class="wikitable" |+ Contenu d'une mémoire, case mémoire de 16 bits (deux octets) |- ! Case mémoire N°1 | 0001 0110 1111 1110 |- ! Case mémoire N°2 | 1111 1110 0110 1111 |- ! Case mémoire N°3 | 0001 0000 0110 0001 |- ! Case mémoire N°4 | 1000 0110 0001 0000 |- ! Case mémoire N°5 | 1100 1010 0110 0001 |- ! ... | ... |- ! Case mémoire N°1023 | 0001 0110 0001 0110 |- ! Case mémoire N°1024 | 0001 0110 0001 0110 |} Dans ce cours, il nous arrivera de partir du principe qu'il y a un octet par case mémoire, par souci de simplification. Mais ce ne sera pas systématique. De plus, il nous arrivera d'utiliser le terme adresse pour parler en réalité de la case mémoire associée, par métonymie. ===La capacité mémoire=== Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La '''capacité''' d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Elle est le produit entre le nombre de cases mémoire, et la taille en bit d'une case mémoire. Toutes les mémoires actuelles utilisant des cases mémoire d'un ou plusieurs octets, ce qui nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire avec le nombre d'octets qu'elle contient. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio. {|class="wikitable" |- !Préfixe!!Capacité mémoire en octets!!Puissance de deux |- ||Kio||1024||2¹⁰ octets |- ||Mio||1 048 576||2²⁰ octets |- ||Gio||1 073 741 824||2³⁰ octets |} On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres. Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, méga ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mébi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu. ===Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM=== Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les ''Read Only Memory'' et les ''Read Write Memory'', aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les '''mémoires ROM''', on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux '''mémoires RWM''', on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs. Tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent le programme à exécuter et éventuellement d'autres informations. Mais son rôle principal est de mémoriser le programme à exécuter. La mémoire RWM stocke des données temporaires, manipulées en lecture et écriture par le processeur. Les deux sont lues directement par le processeur Pour les mémoires RWM, nous allons nous concentrer sur une mémoire électronique appelée la '''mémoire RAM'''. Il s'agit d'une mémoire qui stocke temporairement des données que le processeur doit manipuler (on dit qu'elle est volatile). Elle sert donc essentiellement pour maintenir des résultats de calculs, à mémoriser temporairement des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture avec une ROM et une RAM.]] La mémoire ROM stocke le programme à exécuter et est accessible directement par le processeur. Mais elle peut aussi stocker les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Pour donner un exemple de données stockées en ROM, on peut prendre l'exemple des anciennes consoles de jeu 8 et 16 bits. Les jeux vidéos sur ces consoles étaient placés dans des cartouches de jeu, précisément dans une mémoire ROM à l'intérieur de la cartouche de jeu. La ROM mémorisait non seulement le code du jeu, le programme du jeu vidéo, mais aussi les niveaux et les ''sprites'' et autres données graphiques. Une conséquence est que les consoles 8/16 bits n'avaient pas besoin de beaucoup de RAM, comparé aux ordinateurs de l'époque, vu qu'une grande partie des données utiles étaient dans une ROM directement accessible par le processeur. À l'opposé, les micro-ordinateurs devaient copier les données d'un jeu depuis une disquette dans la mémoire RAM, ce qui demandait d'avoir plus de RAM. Le passage au support CD sur les consoles 32 bits a eu la même conséquence. Le processeur ne pouvant pas lire directement le CD à sa guise, il fallait copier les données du CD en RAM. D'où l'apparition de temps de chargement assez longs, inexistants sur support cartouche. ===L'adressage mémoire=== Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'une case mémoire, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'une seule case mémoire. Techniquement, le processeur doit préciser à quel case mémoire il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque case mémoire se voit attribuer un nombre binaire unique, l''''adresse''', qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoire. [[File:Adressage mémoire.png|centre|vignette|Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner la case mémoire d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).]] L'adresse mémoire est générée par le processeur. Le processeur peut parfaitement calculer des adresses, en extraire du programme qu'il exécute, ou bien d'autres choses. Nous détaillerons d'ailleurs les mécanismes pour dans les chapitres portant sur les modes d'adressage du processeur. Les adresses générées par le processeur sont alors envoyées à la RAM ou la ROM via une connexion dédiée, un ensemble de fils qui connecte le processeur à la mémoire : le '''bus d'adresse mémoire'''. L'adresse sélectionne une case mémoire, le processeur peut alors récupérer la donnée dedans pour une lecture, écrire une donnée pour l'écriture. Pour cela, un second ensemble de fil connecte le processeur à la RAM/ROM, mais cette fois-ci pour échanger des données. Il s'agit du '''bus de données mémoire'''. Les deux sont souvent regroupés sous le terme de '''bus mémoire'''. Un ordinateur contient toujours une RAM et une ROM, ce qui demande aux bus mémoire de s'adapter à la présence de deux mémoires. Il y a alors deux solutions. Avec la première, il y a un seul bus mémoire partagé entre la RAM et la ROM, comme illustré ci-dessous. Une autre solution utilise deux bus séparés : un pour la RAM et un autre pour la ROM. Nous verrons les différences pratiques entre les deux à la fin du chapitre. [[File:CPT-System-Architecture-gapfill1-ANS.svg|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire : bus d'adresse et de données.]] Plus haut, nous avions dit qu'il y a une adresse par case mémoire, chaque case mémoire contenant un ou plusieurs octets. Mais les processeurs modernes partent du principe que la mémoire a un octet par adresse, pas plus. Et ce même si la mémoire reliée au processeur utilise des cases mémoires de 2, 3, 4 octets ou plus. D'ailleurs, la majorité des mémoires RAM actuelle a des cases mémoires de 64 bits, soit 8 octets par case mémoire. Les raisons à cela sont multiple, mais nous les verrons en détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Toujours est-il qu'il faut distinguer les '''adresses mémoire''' et les '''adresses d'octet''' gérées par le processeur. Le processeur génère des adresses d'octet, qui permettent de sélectionner un octet bien précis. L'adresse d'octet permet de sélectionner un octet parmi tous les autres. Mais la mémoire ne comprend pas directement cette adresse d'octet. Heureusement, l'octet en question est dans une case mémoire bien précise, qui a elle-même une adresse mémoire bien précise. L'adresse d'octet est alors convertie en une adresse mémoire, qui sélectionne la case mémoire adéquate, celle qui contient l'octet voulu. La case mémoire entière est lue, puis le processeur ne récupère que les données adéquates. Pour cela, des circuits d'alignement mémoire se chargent de faire la conversion entre adresses du processeur et adresse mémoire. Nous verrons cela dans le détail dans le chapitre sur l'alignement mémoire. Il existe des mémoires qui n'utilisent pas d'adresses mémoire, mais passons : ce sera pour la suite du cours. ==Le processeur== Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de '''processeur''', ou encore de '''''Central Processing Unit''''', abrévié en CPU. Un processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Tout ordinateur contient au moins un processeur. Je dis au moins un, car un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs. ===Le processeur effectue des instructions, dont des calculs=== Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des '''instructions'''. Elles se classent en quelques grands types très simples. Les instructions arithmétiques font des calculs, comme l'addition, la soustractions, la multiplication, la division. Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction. Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur. Et il y en d'autres. L'important est de retenir qu'un processeur fait beaucoup de calculs. La plupart des processeurs actuels supportent au minimum l'addition, la soustraction et la multiplication. Quelques processeurs ne gèrent pas la division, qui est une opération très gourmande en circuit, peu utilisée, très lente. Il arrive que des processeurs très peu performants ne gèrent pas la multiplication, mais c'est assez rare. Les autres instructions ne sont pas très intuitives, aussi passons-les sous silence pour le moment, nous n'aurons besoin de les comprendre que dans la section du cours sur le processeur. L'intérieur d'un processeur n'est pas très compliqué. Il contient évidemment des circuits de calcul qui sont regroupés dans une ou plusieurs unité de calcul. Nous avons déjà vu dans les chapitres précédents comment fabriquer une unité de calcul simple, dans un chapitre dédié, et il s'agit de la même unité de calcul qu'on trouve dans le processeur. Elle est cependant complétée par d'autres circuits, pour les multiplications/division/autres. L'unité de calcul d'un processeur est associée à des registres et une interface de communication avec la mémoire RAM. Le tout est interconnecté, afin de pouvoir échanger des données. Il faut aussi ajouter des circuits pour commander le tout, qui sont regroupés dans l'unité de contrôle. L'unité de contrôle lit les instructions en mémoire, puis commande l'unité de calcul, les registres et la mémoire pour que l'instruction soit exécutée correctement. L'unité de contrôle est assez complexe et aura droit à plusieurs chapitres dédié dans la suite de ce cours, le réseau d'interconnexion et les registres auront droit à un chapitre dédié. [[File:Microarchitecture d'un processeur.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture d'un processeur]] ===Un processeur contient des registres et communique avec la mémoire=== Tout processeur contient des '''registres''' pour fonctionner, leur utilité dépendant du registre considéré. Pour rappel, ce sont de petites mémoires très rapides et de faible capacité, capables de mémoriser un nombre, ou du moins une petite suite de quelques bits. Les registres du processeur peuvent servir à plein de choses : stocker des données afin de les manipuler plus facilement, stocker l'adresse de la prochaine instruction, stocker l'adresse d'une donnée à aller chercher en mémoire, etc. Les registres les plus simples à comprendre contiennent les opérandes et les résultats des opérations de calcul, appelons-les '''registres de données'''. La capacité des registres de données dépend fortement du processeur, et elle détermine la taille des données manipulée par le processeur. Par exemple, un processeur avec des registres de données de 8 bits ne peut pas gérer des données plus grandes qu'un octet, sauf en trichant de manière logicielle. De même, un processeur ayant des registres de 32 bits ne peut pas gérer des opérandes de plus de 32 bits, idem pour les résultats ce qui fait que les débordements d'entiers apparaissent quand un résultat dépasse les 32 bits. Au tout début de l'informatique, il n'était pas rare de voir des registres de 3, 4, voire 8 bits. Par la suite, la taille de ces registres a augmenté, passant rapidement de 16 à 32 bits, voire 48 bits sur certaines processeurs spécialisés. De nos jours, les processeurs des PC utilisent des registres de 64 bits, même s'il existe toujours des processeurs de faible performance avec des registres relativement petits, de 8 à 16 bits. Notons qu'un processeur incorpore souvent des instructions pour copier des données provenant de la mémoire RAM dans un registre, et des instructions qui font l'inverse (d'un registre vers la mémoire). Sans cela, les registres seraient un peu difficiles à utiliser. Les instructions en question sont appelées LOAD (copie RAM vers registre) et STORE (copie registre vers RAM). Les échanges de données entre RAM et registres sont fréquents, les instructions LOAD et STORE sont tout aussi importante que les instructions de calcul. Tout cela pour dire qu'il ne faut pas confondre instruction avec opération mathématique, la notion d'instruction est plus large. Mais cela sera certainement plus claire quand on verra l'ensemble des instructions que peut gérer un processeur, dans un chapitre dédié. Mais les registres de données ce ne sont pas les seuls. Pour pouvoir fonctionner, tout processeur doit mémoriser un certain nombre d’informations nécessaires à son fonctionnement : il faut qu'il se souvienne à quel instruction du programme il en est, qu'il connaisse la position en mémoire des données à manipuler, etc. Et ces informations sont mémorisées dans des registres spécialisés, appelés des '''registres de contrôle'''. Ils sont intégrés dans l'unité de contrôle et ne sont pas relié aux unités de calcul, contrairement aux autres registres. La plupart ont des noms assez barbares (registre d'état, ''program counter'') et nous ne pouvons pas en parler à ce moment du cours car nous n'en savons pas assez sur le fonctionnement d'un processeur pour expliquer à quoi ils servent. Il y a cependant une exception, un registre particulier présent sur presque tous les ordinateurs existants au monde, qu'il est important de voir maintenant : le ''program counter''. ===Le processeur exécute un programme, une suite d'opérations=== Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un '''programme'''. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Un programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que l'ordinateur est rendu programmable : modifier le contenu de la mémoire permet de changer le programme exécuté. Mine de rien, cette idée de stocker le programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable. Les instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Sur la grosse majorité des ordinateurs, les instructions sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de l'ordinateur. {|class="wikitable" |+ Exemple de programme informatique |- ! Adresse ! Instruction |- ! 0 | Copier le contenu de l'adresse 0F05 dans le registre numéro 5 |- ! 1 | Charger le contenu de l'adresse 0555 dans le registre numéro 4 |- ! 2 | Additionner ces deux nombres |- ! 3 | Charger le contenu de l'adresse 0555 |- ! 4 | Faire en XOR avec le résultat antérieur |- ! ... | ... |- ! 5464 | Instruction d'arrêt |} Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle quelle est la prochaine instruction à exécuter. Le processeur mémorise l'adresse de la prochaine instruction dans un registre spécialisé appelé '''Program Counter'''. Cette adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution assez simplement. Il suffit de prendre l'adresse de l'instruction en cours, et en ajoutant la longueur de l'instruction (le nombre de case mémoire qu'elle occupe). En clair, il suffit d'incrémenter le ''program counter'' de la longueur de l'instruction. Le ''program counter'' fait partie de l'unité de contrôle. Mais sur d'autres processeurs, chaque instruction précise l'adresse de la suivante. Ces processeurs n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau d'argent. Sur de tels processeurs, chaque instruction précise quelle est la prochaine instruction, directement dans la suite de bit représentant l'instruction en mémoire. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle. ===Un ordinateur peut avoir plusieurs processeurs=== La plupart des ordinateurs n'ont qu'un seul processeur, ce qui fait qu'on désigne avec le terme d''''ordinateurs mono-processeur'''. Mais il a existé (et existe encore) des '''ordinateurs multi-processeurs''', avec plusieurs processeurs sur la même carte mère. L'idée était de gagner en performance : deux processeurs permettent de faire deux fois plus de calcul qu'un seul, quatre permettent d'en faire quatre fois plus, etc. C'est très courant sur les supercalculateurs, des ordinateurs très puissants conçus pour du calcul industriel ou scientifique, mais aussi sur les serveurs ! Dans le cas le plus courant, ils utilisent plusieurs processeurs identiques : on utilise deux processeurs Core i3 de même modèle, ou quatre Pentium 3, etc. Pour utiliser plusieurs processeurs, les programmes doivent être adaptés. Pour cela, il y a plusieurs possibilités : * Une première possibilité, assez intuitive, est d’exécuter des programmes différents sur des processeurs différents. Par exemple, on exécute le navigateur web sur un processeur, le lecteur vidéo sur un autre, etc. * La seconde option est de créer des programmes spéciaux, qui utilisent plusieurs processeurs. Ils répartissent les calculs à faire sur les différents processeurs. Un exemple est la lecture d'une vidéo sur le web : un processeur peut télécharger la vidéo pendant le visionnage et bufferiser celle-ci, un autre processeur peut décoder la vidéo, un autre décoder l'audio. De tels programmes restent des suites d'instructions, mais ils sont plus complexes que les programmes normaux, aussi nous les passons sous silence. * La troisième option est d’exécuter le même programme sur les différents processeurs, mais chaque processeur traite son propre ensemble de données. Par exemple, pour un programme de rendu 3D, quatre processeurs peuvent s'occuper chacun d'une portion de l'image. [[File:Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture de Von Neumann Princeton multi processeurs]] De nos jours, les ordinateurs grand public les plus utilisés sont dans un cas intermédiaire, ils ne sont ni mono-, ni multi-processeur. Ils n'ont qu'un seul processeur, dans le sens où si on ouvre l'ordinateur et qu'on regarde la carte mère, il n'y a qu'un seul processeur. Mais ce processeur est en réalité assez similaire à un regroupement de plusieurs processeurs dans le même boitier. Il s'agit de '''processeurs multicœurs''', qui contiennent plusieurs cœurs, chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. La différence entre cœur et processeur est assez difficile à saisir, mais pour simplifier : un cœur est l'ensemble des circuits nécessaires pour exécuter un programme. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, à savoir des circuits aux noms barbares comme : un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœur, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Un processeur double-cœur est équivalent à avoir deux processeurs dans l'ordinateur, un processeur quadruple-cœur est équivalent à avoir quatre processeurs dans l'ordinateur, etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Les coprocesseurs=== Quelques ordinateurs assez anciens disposaient de '''coprocesseurs''', des processeurs qui complémentaient un processeur principal. Les ordinateurs de ce type avaient un processeur principal, le '''CPU''', qui était secondé par un ou plusieurs coprocesseurs. Les coprocesseurs les plus connus sont les '''coprocesseurs pour le rendu 2D/3D''' et les '''coprocesseurs sonores'''. Ils ont eu leur heure de gloire sur les anciennes consoles de jeux vidéo, comme La Nintendo 64, la Playstation et autres consoles de cette génération ou antérieure. Ils s'occupaient respectivement de calculer les graphismes des jeux vidéos, et de calculer tout ce qui a trait au son. Pour donner un exemple, on peut citer la console Neo-géo, qui disposait de deux processeurs travaillant en parallèle : un processeur principal, et un co-processeur sonore. Le processeur principal était un Motorola 68000, alors que le co-processeur sonore était un processeur Z80. L'accès aux périphériques est quelque chose sur lequel nous passerons plusieurs chapitres dans ce cours. Mais sachez que l'accès aux périphériques peut demander pas mal de puissance de calculs. Le CPU principal peut faire ce genre de calculs par lui-même, mais il n'est pas rare qu'un '''coprocesseur d'IO''' soit dédié à l'accès aux périphériques. Un exemple assez récent est celui de la console de jeu Nintendo 3DS. Elle disposait d'un processeur principal de type ARM9, d'un coprocesseur pour les divisions qu'on abordera plus bas, et d'un second processeur ARM7. L'ARM 7 était utilisé comme coprocesseur d'I/O, ainsi que pour l'émulation de la console GBA. [[File:Asmp 2.gif|centre|vignette|upright=2|Co-processeur pour l'accès aux entrées-sorties.]] Les '''coprocesseurs arithmétiques''' sont un peu à part des autres. Ils permettent de faire certains calculs que le processeur ne peut pas faire. Les plus connus d'entre eux étaient utilisés pour implémenter les calculs en virgule flottante, à une époque où les CPU de l'époque ne géraient que des calculs entiers (en binaire ou en BCD). Un exemple est le coprocesseur flottant x87, complémentaire des premiers processeurs Intel x86. Il y a eu la même chose sur les processeurs Motorola 68000, avec deux coprocesseurs flottants appelés les Motorola 68881 et les Motorola 68882. Les coprocesseurs arithmétiques étaient optionnels et il était parfaitement possible de monter un PC qui n'en avait pas. En conséquence, les programmeurs devaient coder des programmes qui peuvent fonctionner avec et sans co-processeur. La solution la plus simple était de fournir deux versions du logiciel : une sans usage du coprocesseur, et une autre qui en fait usage, plus rapide. Sans ces coprocesseurs, les calculs flottants étaient émulés en logiciel, par des fonctions et libraires spécialisées, très lentes. Certaines applications conçues pour le coprocesseur étaient capables d'en tirer profit : des logiciels de conception assistée par ordinateur, par exemple. Ils sont aujourd'hui tombés en désuétude, depuis que les CPU sont devenus capables de faire des calculs sur des nombres flottants. Un exemple récent de coprocesseur est celui utilisé sur la console de jeu Nintendo DS. La console utilisait deux processeurs, un ARM9 et un ARM7, qui ne pouvaient pas faire de division entière. Il s'agit pourtant d'opérations importantes dans le cas du rendu 3D, ce qui fait que les concepteurs de la console ont rajouté un coprocesseur spécialisé dans les divisions entières et les racines carrées. Le coprocesseur était adressable directement par le processeur, comme peuvent l'être la RAM ou les périphériques. Les co-processeurs arithmétiques se distinguent des autres car ils fonctionnent en tandem avec le processeur principal, pas en parallèle. Les co-processeurs précédents sont autonomes, à savoir qu'ils exécutent un programme différent de celui exécuté par le CPU. Mais les co-processeurs arithmétiques ne sont pas dans ce cas. Il n'y a qu'un seul programme à exécuter, qui contient des instructions à destination du CPU, d'autres à destination du co-processeur. Les instructions sont exécutées soit par le CPU, soit par le co-processeur, une par une. ==Les entrées-sorties== Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des '''entrées'''. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (''scancode'') à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres. S’il y a des entrées, on trouve aussi des '''sorties''', des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie. Dans ce qui va suivre, nous allons parfois parler de périphériques au lieu d'entrées-sorties, mais les deux termes ne sont pas équivalents. Les '''périphériques''' sont les composants connectés sur l'unité centrale. Exemple : les claviers, souris, webcam, imprimantes, écrans, clés USB, disques durs externes, la Box internet, etc. les '''entrées-sorties''' incluent les périphériques, mais aussi d'autres composants comme les cartes d'extensions ou des composants installés sur la carte mère. Les '''cartes d'extension''' sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes son ou les cartes graphiques. D'autres composants sont soudés à la carte mère mais sont techniquement des entrées-sorties : les cartes sons soudées sur les cartes mères actuelles, par exemple. Mais par simplicité, nous parlerons parfois de périphériques au lieu d'entrées-sorties. ===L'interface avec le reste de l'ordinateur=== Les entrées-sorties sont très diverses, fonctionnent très différemment les unes des autres. Mais du point de vue du reste de l'ordinateur, les choses sont relativement standardisées. Du point de vue du processeur, les entrées-sorties sont juste des paquets de registres ! Tous les périphériques, toutes les entrées-sorties contiennent des '''registres d’interfaçage''', qui permettent de faire l'intermédiaire entre l'entrée/sortie et le reste de l'ordinateur. L'entrée/sortie est conçu pour réagir automatiquement quand on écrit dans ces registres. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage sont assez variés. Les plus évidents sont les '''registres de données''', qui permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. Pour échanger des données avec l'entrée/sortie, le processeur a juste à lire ou écrire dans ces registres de données. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. Si le processeur veut envoyer une donnée à une entrée/sortie, il a juste à écrire dans ces registres. Inversement, s'il veut lire une donnée, il a juste à lire le registre adéquat. Mais le processeur ne fait pas que transmettre des données à l'entrée/sortie. Le processeur lui envoie aussi des « commandes », des valeurs numériques auxquelles l'entrée/sortie répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. En clair, ce sont l'équivalent des instructions du processeur, mais pour l'entrée/sortie. Par exemple, les commandes envoyées à une carte graphique peuvent être : affiche l'image présente à cette adresse mémoire, calcule le rendu 3D à partir des données présentes dans ta mémoire, etc. Pour recevoir les commandes, l'entrée/sortie contient des ''registres de commande'' qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande à l'entrée/sortie, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. Enfin, beaucoup d'entrée/sortie ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état de l'entrée/sortie. Ils servent notamment à indiquer au processeur que l'entrée/sortie est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est occupé, qu'il y a un problème, qu'il y a une erreur de configuration, etc. ===Les adresses des registres d’interfaçage=== Les registres des périphériques sont identifiés par des adresses mémoires. Et les adresses sont conçues de façon à ce que les adresses des différentes entrées/sorties ne se marchent pas sur les pieds. Chaque entrée/sortie, chaque registre, chaque contrôleur a sa propre adresse. D'ordinaire, certains bits de l'adresse indiquent quel est le destinataire. Certains indiquent quel est l'entrée/sortie voulue, les restants indiquant le registre de destination. Il existe deux organisations possibles pour les adresses des registres d’interfaçages. La première possibilité est de séparer les adresses pour les registres d’interfaçage et les adresses pour la mémoire. Le processeur doit avoir des instructions séparées pour gérer les périphériques et adresser la mémoire. Il a des instructions de lecture/écriture pour lire/écrire en mémoire, et d'autres pour lire/écrire les registres d’interfaçage. Sans cela, le processeur ne saurait pas si une adresse est destinée à un périphérique ou à la mémoire. [[File:Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Espaces d'adressages séparés entre mémoire et périphérique]] L'autre méthode mélange les adresses mémoire et des entrées-sorties. Si on prend par exemple un processeur de 16 bits, où les adresses font 16 bits, alors les 65536 adresses possibles seront découpées en deux portions : une partie ira adresser la RAM/ROM, l'autre les périphériques. On parle alors d''''entrées-sorties mappées en mémoire'''. L'avantage est que le processeur n'a pas besoin d'avoir des instructions séparées pour les deux. [[File:IO mappées en mémoire.png|centre|vignette|upright=2.0|IO mappées en mémoire]] ===Le pilote de périphérique=== Utiliser une entrée/sortie se résume donc à lire ou écrire les valeurs adéquates dans les registres d’interfaçage. Les registres en question ont une adresse, similaire à l'adresse mémoire des RAM/ROM. Les adresses en question ne sont pas forcément mélangées, la relation entre adresses mémoire et adresses de périphériques est compliquée et sera vue dans la suite du chapitre. Communiquer avec une entrée/sortie est similaire à ce qu'on a avec les mémoires, c'est simple : lire ou écrire dans des registres. Le problème est que le système d'exploitation ne connaît pas toujours le fonctionnement d'une entrée/sortie : il faut installer un programme qui va s'exécuter quand on souhaite communiquer avec l'entrée/sortie, et qui s'occupera de tout ce qui est nécessaire pour le transfert des données, l'adressage du périphérique, etc. Ce petit programme est appelé un driver ou '''pilote de périphérique'''. La « programmation » périphérique est très simple : il suffit de savoir quoi mettre dans les registres, et c'est le pilote qui s'en charge. ==Le bus de communication== Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs '''bus de communication'''. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns. Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis qu'un bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. * Le '''bus de données''' est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. * Le '''bus de commande''' permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. * Le '''bus d'adresse''', facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données. [[File:Bus general schematic.svg|centre|vignette|upright=2|Contenu d'un bus, généralités.]] Tous les ordinateurs ne sont pas organisés de la même manière, pour ce qui est de leurs bus. Dans les grandes lignes, on peut distinguer deux possibilités : soit l'ordinateur a un seul bus, soit il en a plusieurs. ===Les bus systèmes=== Si l'ordinateur dispose d'un bus unique, celui-ci est appelé le '''bus système''', aussi appelé ''backplane bus''. Il s'agissait de l'organisation utilisée sur les tout premiers ordinateurs, pour sa simplicité. Elle était parfaitement adaptée aux anciens composants, qui allaient tous à la même vitesse. De nos jours, les ordinateurs à haute performance ne l'utilisent plus trop, mais elle est encore utilisée sur certains systèmes embarqués, en informatique industrielle dans des systèmes très peu puissants. [[File:Computer structure.svg|centre|vignette|upright=2|Bus système basique.]] Un bus système contient un bus d'adresse, de données et de commande. Le bus d'adresse ne sert pas que pour l'accès à la mémoire RAM/ROM, mais aussi pour l'accès aux entrées-sorties. En théorie, un bus système se marie bien avec des entrées-sorties mappées en mémoire. Il y a moyen d'implémenter un système d'adresse séparés avec, mais c'est pas l'idéal. [[File:Architecture Von Neumann avec les bus.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann avec les bus.]] De tels bus avaient pour avantage la simplicité. Le processeur peut communiquer directement avec la mémoire et les entrées-sorties, les périphériques peuvent communiquer avec la mémoire, etc. Il n'y a pas de limitations quant aux échanges de données. Un autre avantage est que le processeur n'est connecté qu'à un seul bus, ce qui utilise peu de broches. Le fait de partager le bus entre mémoire et entrées-sorties fait qu'on économise des fils. Le câblage est plus simple, la fabrication aussi. Mais ils ont aussi des désavantages. Par exemple, il éviter que le processeur et les entrées-sorties se marchent sur les pieds, ils ne peuvent pas utiliser le bus en même temps. De tels conflits d'accès au bus système sont fréquents et ils réduisent la performance, comme on le verra dans le chapitre sur les bus. De plus, un bus système a le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente ===Les bus spécialisés=== Pour éliminer ces problèmes, beaucoup d'ordinateurs disposent de plusieurs bus, plus ou moins spécialisés. Nous verrons des exemples de tels systèmes à la fin du chapitre. Pour le moment, citons un exemple assez courant : le cas où on a un bus séparé pour la mémoire, et un autre séparé pour les entrées-sorties. Le bus spécialisé pour la mémoire est appelé le '''bus mémoire''', l'autre bus n'a pas de nom précis, mais nous l’appellerons le '''bus d'entrées-sorties'''. Une telle organisation implique d'avoir des adresses séparées pour les registres d’interfaçage et la mémoire. Pas d'entrée-sortie mappée en mémoire ! [[File:Bus mémoire séparé du bus pour les IO.png|centre|vignette|upright=2|Bus mémoire séparé du bus pour les IO]] Les avantages de tels bus sont nombreux. Par exemple, le processeur peut accéder à la mémoire en attendant qu'une entrée/sortie réponde, sans trop de problèmes. De plus, l'on a pas à gérer les conflits d'accès au bus entre la mémoire et les entrées/sorties. Mais surtout, les bus peuvent être adaptés et simplifiés. Par exemple, le bus pour les entrées-sorties peut se passer de bus d'adresse, avoir un bus de commande différent de celui de la mémoire, avoir des bus de données de taille différentes, etc. Il est ainsi possible d'avoir un bus mémoire capable de lire/écrire 16 bits à la fois, alors que la communication avec les entrées-sorties se fait octet par octet ! Plutôt que d'avoir un seul bus qui s'adapte aux mémoires et entrées-sorties, on a des bus spécialisés. L'avantage principal de cette adaptation est que la mémoire et les périphériques ne vont pas à la même vitesse du tout. Il est alors possible d'avoir un bus mémoire ultra-rapide et qui fonctionne à haute fréquence, pendant que le bus pour les entrées-sorties est un bus plus simple, moins rapide. Au lieu d'avoir un bus système moyen en vitesse, on a deux bus qui vont chacun à la vitesse adéquate. Mais il y a d'autres défauts. Par exemple, il faut câbler deux bus distincts sur le processeur. Le nombre de broches nécessaires augmente drastiquement. Et cela peut poser problème si le processeur n'a pas beaucoup de broches à la base. Aussi, les processeurs avec peu de broches utilisent de préférence un bus système, plus simple à câbler, bien que moins performant. Un autre problème est que les entrées-sorties ne peuvent pas communiquer avec la mémoire directement, elles doivent passer par l'intermédiaire du processeur. De tels échanges ne sont pas forcément nécessaires, mais les performances s'en ressentent s’ils le sont. ===Les bus avec répartiteur=== Il existe une méthode intermédiaire, qui garde deux bus séparés pour la mémoire et les entrées-sorties, mais élimine les problèmes de brochage sur le processeur. L'idée est d'intercaler, entre le processeur et les deux bus, un circuit répartiteur. Il récupère tous les accès et distribue ceux-ci soit sur le bus mémoire, soit sur le bus des périphériques. Le ou les répartiteurs s'appellent aussi le '''''chipset''''' de la carte mère. C'était ce qui était fait à l'époque des premiers Pentium. À l'époque, la puce de gestion du bus PCI faisait office de répartiteur. Elle mémorisait des plages mémoires entières, certaines étant attribuées à la RAM, les autres aux périphériques mappés en mémoire. Elles utilisaient ces plages pour faire la répartition. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus]] Niveau adresses des registres d'interfacage, il est possible d'avoir soit des adresses unifiées avec les adresses mémoire, soit des adresses séparées. ==Les architectures Harvard et Von Neumann== Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la '''mémoire programme''', qui stocke les programmes à exécuter, et la '''mémoire travail''' qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur. Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. À l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas. [[File:Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.png|centre|vignette|upright=3|Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.]] ===L'architecture Harvard=== Avec l''''architecture Harvard''', la mémoire ROM et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données. [[File:Harvard Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.]] Sur ces architectures, le processeur voit bien deux mémoires séparées avec leur lot d'adresses distinctes. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.]] Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM. ===L'architecture Von Neumann=== Avec l''''architecture Von Neumann''', mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre. [[File:Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.png|centre|vignette|upright=2|Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.]] Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse correspond soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux. [[File:Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.png|centre|vignette|upright=2|Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.]] Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez. L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c’est-à-dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone. Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du '''code auto-modifiant'''. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons ! ===L'architecture Harvard modifiée=== Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann et mélangent les deux, et sont des sortes d'intermédiaires entre les deux. De telles architectures sont appelées des '''architectures Harvard modifiée'''. Pour rappel, les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points : * Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann. * L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann. Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire intégrée dans le processeur, la fameuse mémoire cache dont nous parlerons dans le prochain chapitre. Aussi, nous repartons les explications sur ces architectures dans le chapitre suivant, nous n’avons pas le choix que de faire ainsi. Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types. Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées. [[File:Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée.png|centre|vignette|upright=3|Organisation des espaces d'adressage sur une archi harvard modifiée]] D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lire des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même temps qu'on charge une instruction. ==Les microcontrôleurs et ''system on chip''== Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul circuit intégré, un seul boitier. L'ensemble forme alors ce qu'on appelle un '''''System on Chip''''' (système sur une puce), abrévié en SoC. Le nom est assez explicite : un SoC comprend un système informatique complet sur une seule puce de silicium, microprocesseurs, mémoires et périphériques inclus. Ils incorporent aussi des ''timers'', des compteurs, et autres circuits très utiles. [[File:ARMSoCBlockDiagram.svg|centre|vignette|upright=2|SoC basé sur un processeur ARM, avec des entrées-sorties typiques de celles d'un µ-contrôleur. Le support du bus CAN, d'Ethernet, du bus SPI, d'un circuit de PWM (génération de signaux spécifiques), de convertisseurs analogique-digital et inverse, sont typiques des µ-contrôleurs.]] Le terme SoC regroupe des circuits imprimés assez variés, aux usages foncièrement différents et à la conception distincte. Les plus simples d’entre eux sont des microcontrôleurs, qui sont utilisés pour des applications à base performance. Les plus complexes sont utilisés pour des applications qui demandent plus de puissance, nous les appellerons SoC haute performance. La relation entre SoC et microcontrôleurs est assez compliquée à expliquer, la terminologie n'est pas clairement établie. Il existe quelques cours/livres qui séparent les deux, d'autres qui pensent que les deux sont très liés. Dans ce cours, nous allons partir du principe que tous les systèmes qui regroupent processeur, mémoire et quelques périphériques/entrées-sorties sont des SoC. Les microcontrôleurs sont donc un cas particulier de SoC, en suivant cette définition. ===Les microcontrôleurs=== Les '''microcontrôleurs''' sont des composants utilisés dans l'embarqué ou d'informatique industrielle. Leur nom trahit leur rôle. Ils sont utilisés pour contrôler de l'électroménager, des chaines de fabrication dans une usine, des applications robotiques, les alarmes domestiques, les voitures. De manière générale, on les trouve dans tous les systèmes dits embarqués et/ou temps réel. Ils ont besoin de s'interconnecter à un grand nombre de composants et intègrent pour cela un grand nombre d'entrée-sorties. Les microcontrôleurs sont généralement peu puissants, et doivent consommer peu d'énergie/électricité. [[File:Microcontroller 8051.gif|centre|vignette|upright=2.5|Microcontrôleur Intel 8051.]] Un microcontrôleur tend à intégrer des entrées-sorties assez spécifiques, qu'on ne retrouve pas dans les SoC destinés au grand public. Un microcontrôleur est typiquement relié à un paquet de senseurs et son rôle est de commander des moteurs ou d'autres composants. Et les entrées-sorties intégrées sont adaptées à cette tâche. Par exemple, ils tendent à intégrer de nombreux convertisseurs numériques-analogiques pour gérer des senseurs. Ils intègrent aussi des circuits de génération de signaux PWM spécialisés pour commander des moteurs, le processeur peut gérer des calculs trigonométriques (utiles pour commander la rotation d'un moteur), etc. Fait amusant, on en trouve dans certains périphériques informatiques. Par exemple, les anciens disques durs intégraient un microcontrôleur qui contrôlait plusieurs moteurs/ Les moteurs pour faire tourner les plateaux magnétiques et les moteurs pour déplacer les têtes de lecture/écriture étaient commandés par ce microcontrôleur. Comme autre exemple, les claviers d'ordinateurs intègrent un microcontrôleur connecté aux touches, qui détecte quand les touches sont appuyées et qui communique avec l'ordinateur. Nous détaillerons ces deux exemples dans les chapitres dédiés aux périphériques et aux disques durs, tout deviendra plus clair à ce moment là. La majorité des périphériques ou des composants internes à un ordinateur contiennent des microcontrôleurs. ===Les SoC haute performance=== Les SoC les plus performants sont actuellement utilisés dans les téléphones mobiles, tablettes, ''Netbook'', ''smartphones'', ou tout appareil informatique grand public qui ne doit pas prendre beaucoup de place. La petite taille de ces appareils fait qu'ils gagnent à regrouper toute leur électronique dans un circuit imprimé unique. Mais les contraintes font qu'ils doivent être assez puissants. Ils incorporent des processeurs assez puissants, surtout ceux des ''smartphones''. C'est absolument nécessaire pour faire tourner le système d'exploitation du téléphone et les applications installées dessus. Niveau entrées-sorties, ils incorporent souvent des interfaces WIFI et cellulaires (4G/5G), des ports USB, des ports audio, et même des cartes graphiques pour les plus puissants d'entre eux. Les SoC incorporent des cartes graphiques pour gérer tout ce qui a trait à l'écran LCD/OLED, mais aussi pour gérer la caméra, voire le visionnage de vidéo (avec des décodeurs/encodeurs matériel). Par exemple, les SoC Tegra de NVIDIA incorporent une carte graphique, avec des interfaces HDMI et VGA, avec des décodeurs vidéo matériel H.264 & VC-1 gérant le 720p. Pour résumer, les périphériques sont adaptés à leur utilisation et sont donc foncièrement différents de ceux des microcontrôleurs. [[File:Phone hardware.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un téléphone. On voit qu'il est centré autour d'un SoC, complété par de la RAM, un disque dur de faible capacité, de quoi gérer les entrées utilisateurs (l'écran tactile, les boutons), et un modem pour les émissions téléphoniques/2G/3G/4G/5G.]] Un point important est que les processeurs d'un SoC haute performance sont... performants. Ils sont le plus souvent des processeurs de marque ARM, qui sont différents de ceux utilisés dans les PC fixe/portables grand public qui sont eux de type x86. Nous verrons dans quelques chapitres en quoi consistent ces différences, quand nous parlerons des jeux d'instruction du processeur. Autrefois réservé au monde des PCs, les processeurs multicœurs deviennent de plus en plus fréquents pour les SoC de haute performance. Il n'est pas rare qu'un SoC incorpore plusieurs cœurs. Il arrive même qu'ils soient foncièrement différents, avec plusieurs cœurs d'architecture différente. La frontière entre SoC haute performance et microcontrôleur est de plus en plus floue. De nombreux appareils du quotidien intègrent des SoC haute performance, d'autres des microcontrôleurs. Par exemple, les lecteurs CD/DVD/BR et certains trackers GPS intègrent un SoC ou des processeurs dont la performance est assez pêchue. À l'opposé, les systèmes domotiques intègrent souvent des microcontrôleurs simples. Malgré tout, les deux cas d'utilisation font que le SoC/microcontrôleur est connecté à un grand nombre d'entrées-sorties très divers, comme des capteurs, des écrans, des LEDs, etc. [[File:GPS tracker Hardware Architecture.png|centre|vignette|upright=2|Hardware d'un tracker GPS.]] ==Étude de quelques exemples d'architectures== Après avoir vu la théorie, nous allons voir des exemples réels d'ordinateurs. Dans ce qui suit, nous allons voir des ordinateurs assez anciens, pour une raison simple : ils collent assez bien à l''''architecture de base''' vue plus haut, avec un CPU, une RAM et une ROM, quelques entrées-sorties. Tous les ordinateurs modernes, mais aussi dans les smartphones, les consoles de jeu et autres, utilisent une architecture grandement modifiée et améliorée, avec un grand nombre de périphériques, des systèmes d'exploitation sur des disques durs/SSD, un grand nombre de mémoires différentes, etc. Il pourrait sembler pertinent d’étudier des microcontrôleurs ou des ''System On Chip'', en premier lieu. Mais nous éviterons soigneusement de tels systèmes pour le moment. La raison est qu'ils ont un grand nombre d'entrées-sorties, qui sont assez peu familières. Attendez-vous à avoir près d'une vingtaine ou centaine d'entrée-sorties différentes pour de tels systèmes. Le tout est très complexe, bien trop pour un premier exemple. A la place, nous allons voir précisément deux types d'exemples : les premiers PC, et des consoles de jeu 8 et 16 bits. Bien que ce soit des systèmes très simples, ils sont cependant plus complexes que l'architecture de base. Et leur avantages/désavantages sont un peu inverse l'un de l'autre. Les PC et micro-ordinateurs ont pour défaut d'avoir beaucoup d'entrées-sorties, avec notamment beaucoup de périphériques. Et c'est sans compter les nombreux composants soudées sur la carte mère. Et cela se ressent dans l'architecture de ces ordinateurs. Aussi, nous verrons les premiers PC dans la section suivante. Les consoles de jeu 8/16 bits ont nettement moins d'entrées-sorties, jugez plutôt : une cartouche de jeu et une manette en entrée, une sortie vidéo et une sortie son. De tels systèmes sont donc nettement plus simple pour ce qui est des entrées-sorties. Par contre, ces entrées-sorties sont soudées sur la carte mère, là où les PC utilisent plutôt des cartes d'extension pour alimenter l'écran et les hauts-parleurs/casques. De plus, les consoles de jeu utilisent des souvent co-processeurs dédiés pour le son, voir pour les graphismes. Il y a donc moins d'entrées-sorties mais elles sont un peu plus complexes à étudier. Enfin, la gestion de la cartouche de jeu complexifie aussi l'architecture. Les cartouches de jeu intègrent une mémoire ROM, pour mémoriser les données du jeu, voire son code. Et le processeur doit exécuter le code depuis cette mémoire ROM. La conséquence est que les consoles 8/16 bits utilisent une architecture Harvard, avec un bus relié à la cartouche pour lire les instructions. Mais si ce n'était que ça... Les cartouches mémorisent aussi les données pour les graphismes, ce qui fait que le co-processeur vidéo doit lui aussi lire la cartouche pour récupérer ces données... ===L'architecture de la TurboGraphX-16=== La console PC Engine, aussi appelée TurboGraphX, est une ancienne console 8 bits. Elle contient un processeur 65C02, 8 kibioctets de RAM, un port manettes, une carte son et une carte vidéo. La '''carte son''' est le composant qui s'occupe de commander les haut-parleurs et de gérer tout ce qui a rapport au son. La '''carte graphique''' est le composant qui est en charge de calculer les graphismes, tout ce qui s'affiche à l'écran. Sur cette console, les cartes son et graphique ne sont PAS des co-processeurs, ce sont des circuits électroniques dits fixes. C'est totalement différent de ce qu'on a sur les consoles modernes, aussi le préciser est important. [[File:Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la PC Engine, aussi appelée TurboGrafx-16]] L'architecture de la console était particulièrement simple. Le processeur était le centre de l'architecture, tout était connecté dessus. Il y a un bus pour la cartouche de jeu, un autre pour la RAM, un autre pour les manettes, un autre pour carte son, et un dernier pour la carte graphique. Le fait d'avoir un bus par composant est assez rare et ce n'est le cas ici que parce des conditions particulières sont remplies. Déjà, il y a peu d'entrée-sorties. Ensuite, les bus font tous 8 bits, vu que le processeur est un CPU 8 bits. Avec 5 connexions de 8 bits, le tout utilise 40 broches, ce qui est beaucoup, mais totalement gérable. Par contre, les choses changerons pour les autres consoles. Bien que la carte graphique ne soit pas un processeur, elle a 64 kibioctets de RAM rien que pour elle. La RAM en question est séparée de la RAM normale, c'est un circuit intégré séparé. Et c'est un cas très fréquent, qui reviendra par la suite. La majeure partie des cartes graphiques dispose de leur propre '''mémoire vidéo''', totalement réservée à la carte graphique. La RAM vidéo est connectée à la carte graphique via un bus séparé. Le processeur est souvent connecté à ce bus, afin de pouvoir écrire des données dedans, mais ce n'est pas le cas ici. Au final, l'organisation des bus peut s'expliquer avec ce qu'on a vu dans la section sur les bus de communication. La console utilise une architecture Harvard, car la ROM et la RAM utilisent des bus différents. De plus, il y a des bus dédiés aux entrées-sorties, séparés des bus mémoire. Enfin, la carte graphique a droit à ses propres bus pour lire dans la cartouche et dans sa RAM vidéo dédiée. ===L'architecture de la console de jeu NES=== En premier lieu, nous allons voir la console de Jeu Famicom, aussi appelée la NES en occident. La console de base a une architecture très simple, illustrée ci-dessous, avec seulement un CPU, de la RAM, et quelques entrées-sorties. On voit qu'elle est centrée sur un processeur Ricoh 2A03, similaire au processeur 6502, un ancien processeur autrefois très utilisé et très populaire. Le processeur est associé à 2 KB de mémoire RAM. [[File:Architecture de la NES.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de la NES]] La mémoire ROM se trouve dans la cartouche de jeu, et non dans la console. Elle contient le programme du jeu, comme on pourrait s'y attendre. Sur certaines cartouches, on trouve une RAM utilisée pour les sauvegardes, qui est adressée par le processeur directement. Première variation par rapport à l'architecture de la console précédente : l'ajout de la RAM pour les sauvegardes dans les cartouches. Comme dit plus haut, le système utilise une architecture Harvard, vu que la ROM est dans la cartouche, alors que la RAM est soudée à la carte mère. Niveau carte graphique, il y a quelques différences avec la console précédente. Les cartes son et graphique ne sont pas des co-processeurs, et la carte graphique est associée à une mémoire vidéo, qui est cette fois de 2 KB. Une différence importante est que la carte graphique est connectée à la cartouche de jeu via un autre bus, afin de pouvoir lire les sprites et textures du jeu dans la cartouche. ===L'architecture de la SNES=== L'architecture de la SNES est illustrée ci-dessous. Les changements pour le processeur et la RAM sont mineurs.La RAM a augmenté en taille et passe à 128 KB. Pareil pour la RAM de la carte vidéo, qui passe à 64 KB. Par contre, on remarque un changement complet au niveau des bus, de la carte graphique et de la carte son. [[File:Architecture de la SNES.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de la SNES]] La console utilise un '''bus système unique''', sur lequel tout est connecté : ROM, RAM, entrées-sorties, etc. La seule exception est pour les manettes, qui sont encore connectées directement sur le processeur, via un bus séparé. La transition vers un bus système s'explique par le fait que la console est maintenant de 16 bits, ce qui fait que les bus doivent être plus larges. Le processeur adresse des mémoires RAM et ROM plus grandes, ce qui double la taille de leurs bus. De plus, les entrées-sorties aussi ont besoin d'un bus plus large. Le processeur n'ayant pas un nombre illimité de broches, la seule solution est de fusionner les bus en un seul bus système. Un autre changement est que la carte graphique est maintenant composée de deux circuits séparés. Encore une fois, il ne s'agit pas de coprocesseurs, mais de circuits non-programmables. Par contre, la carte son est remplacée par deux coprocesseurs audio ! De plus, les deux processeurs sont connectés à une mémoire RAM dédiée de 64 KB, comme pour la carte graphique. L'un est un processeur 8 bits (le DSP), l'autre est un processeur 16 bits. Un point très intéressant : certains jeux intégraient des coprocesseurs dans leurs cartouches de jeu ! Par exemple, les cartouches de Starfox et de Super Mario 2 contenait un coprocesseur Super FX, qui gérait des calculs de rendu 2D/3D. Le Cx4 faisait plus ou moins la même chose, il était spécialisé dans les calculs trigonométriques, et diverses opérations de rendu 2D/3D. En tout, il y a environ 16 coprocesseurs d'utiliser et on en trouve facilement la liste sur le net. La console était conçue pour, des pins sur les ports cartouches étaient prévues pour des fonctionnalités de cartouche annexes, dont ces coprocesseurs. Ces pins connectaient le coprocesseur au bus des entrées-sorties. Les coprocesseurs des cartouches de NES avaient souvent de la mémoire rien que pour eux, qui était intégrée dans la cartouche. ==L'architecture des PC et son évolution== Après avoir vu les consoles, nous allons maintenant voir les anciens PC, des années 80 ou 90. Le tout premier PC était techniquement l''''IBM PC'''. Par la suite, de nombreux ordinateurs ont tenté de reproduire l'IBM PC originel, avec parfois quelques modifications mineures. De tels ordinateurs ''IBM PC compatibles'', ont été très nombreux, pour des raisons diverses. Le fait d'utiliser des composants banalisés, facilement disponibles, ainsi qu'une bonne documentation de l'IBM PC originel, a grandement aidé. Les IBM PC compatibles ont progressivement évolué pour donner les PC actuels. L'IBM PC compatible a donné naissance à de nombreux standards divers. ===L'IBM PC originel et l'IBM PC XT=== [[File:IBM PC XT 02.jpg|vignette|IBM PC XT.]] Nous allons commencer par voir l'IBM PC originel, et son successeur : l'IBM Personal Computer XT. Nous les appelerons tous deux l'IBM PC. L'IBM PC utilisait un processeur Intel 8088, qui était un processeur 8 bits. Ils utilisaient un bus système unique, appelé le '''bus XT'''. Le bus système allait à 4.77 MHz, soit la même fréquence que le processeur. C'était un bus de 8 bits, ce qui collait parfaitement avec les processeurs 8 bits commercialisés par Intel à l'époque. L'IBM PC comprenait une mémoire ROM avec de quoi faire fonctionner le PC. La ROM en question contenait un programme minimal, appelé le '''BIOS''', sans lequel le PC ne fonctionnait pas du tout. Il servait de base pour le système d'exploitation et MS-DOS ne fonctionnait pas sans elle. De nos jours, son rôle est plus limité : sans elle, le PC ne démarre pas. Mais nous détaillerons cela dans le prochain chapitre. En plus de la ROM pour le BIOS, l'IBM PC avait quatre mémoires ROM dédiée au langage de programmation BASIC. Lorsque le PC démarrait, il ne bootait pas un système d'exploitation, mais lançait l'interpréteur pour le langage BASIC. De nos jours, ce serait l'équivalent d'un ordinateur qui boote directement sur du Python, à savoir la console Python que vous avez peut-être déjà utilisé si vous avez testé Python. Ceux qui ont déjà touché à un ordinateur de l'époque savent ce que ca veut dire, mais c'est malheureusement très difficile à expliquer sans ce genre d'expérience. Toujours est-il que c'était une sorte de norme à l'époque : les ordinateurs bootaient généralement sur un interpréteur BASIC. [[File:XT Bus pins.svg|vignette|Connecteur du bus XT.]] Les PC étaient conçus pour qu'on branche des '''cartes d'extension''', à savoir des cartes électroniques qu'on branchait sur la carte mère, à l'intérieur du PC. Les cartes d'extension de l'époque étaient surtout des cartes son ou des cartes graphiques, mais aussi des cartes pour brancher des péripéhriques. par exemple, on pouvait ajouter deux cartes graphiques dans l'IBM PC originel : l'''IBM Monochrome Display Adapter'' et/ou la ''IBM Color Graphics Adapter''. De nos jours, les cartes son sont intégrées à la carte mère, mais les cartes graphiques sont restées des cartes d'extension. Les cartes d'extension étaient branchées sur un '''connecteur XT''', qui était directement relié au bus XT. Le connecteur XT est illustré ci-contre, mais ne vous en souciez pas trop pour le moment. La carte mère de l'IBM PC avait 5 connecteurs de ce type, qu'on pouvait peupler avec autant de cartes d'extension. L'IBM Personal Computer XT est passé à 8 connecteurs XT, soit trois de plus. Pour ce qui est des périphériques, l'IBM PC avait plusieurs connecteurs : un port série, un port parallèle, un port pour le clavier, et un port pour un lecteur cassette. Le clavier et le lecteur cassette étaient connectés directement sur la carte mère, qui contenait quelques circuits pour gérer le clavier. Par contre, les deux premiers n'étaient pas connectés à la carte mère. Le port série était en réalité une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. Et il en est de même pour le port parallèle. Pour ce qui est des supports de stockage, l'IBM PC originel n'avait pas de disque dur et n'avait que des lecteurs de disquette. De plus, le lecteur de disquette n'était pas connecté directement sur la carte mère, mais était connecté à une carte d'extension, branchée sur un connecteur XT. La carte d'extension avait deux connecteurs, un par lecteur de disquette, ce qui fait que les deux lecteurs de disquettes pouvaient être branchés sur une seule carte d'extension. L'IBM Personal Computer XT a ajouté un disque dur, sauf sur quelques sous-modèles spécifiques. Le PC avait aussi un petit haut-parleur capable de faire des bips. Pour résumer, l'IBM PC originel se reposait beaucoup sur les cartes d'extension, sa carte mère contenait peu de choses. Enfin, peu de choses... Il y avait un processeur Intel 8088, éventuellement un coprocesseur flottant 8087, de la RAM, de la ROM, et des circuits intégrés assez divers. En voici la liste : * un générateur d'horloge Intel 8284 et un diviseur de fréquence ; * un ''timer'' Intel 8253, le même que celui étudié dans le chapitre sur les ''timers'' ; * des circuits inconnus à ce stade du cours, à savoir : ** un contrôleur de bus Intel 8288 pour gérer le bus XT ; ** un contrôleur d'interruption 8259 et un contrôleur DMA 8273 ; ** un contrôleur parallèle 8255 ; * un paquet de multiplexeurs, de portes logiques et de registres (''latches'' et ''flip-flop''). Les multiplexeurs, registres et portes logiques, sont liées au fait que plusieurs RAM sont combinées en une seule, idem avec la mémoire ROM. Si vous verrez qu'il y a 5 mémoires ROM : une ROM pour le BIOS, et quatre autres ROM pour le BASIC. Les 4 ROM du BASIC sont combinées en une seule mémoire ROM, mais cela demande d'ajouter des circuits pour. Et pareil pour la RAM : il y a entre 8 et 32 circuits intégrés, chacun étant une mémoire DRAM. Elles sont toutes combinées de manière à donner une seule RAM de 16 à 64 kibioctets. Là encore, cela demande d'ajouter des circuits sur la carte mère pour. [[File:IBM 5150 Motherboard.svg|centre|vignette|upright=3|Carte mère de l'IBM 5150, un modèle de l'IBM PC.]] ===L'architecture d'un IBM PC compatible 16 bits=== Les PC suivants sont passés à des processeurs 16 bits, mais c'était toujours des processeurs x86 d'Intel, à savoir des Intel 286 et 386. La RAM a grossi, quelques entrées-sorties ont été ajoutées, mais l'architecture globale est plus moins resté le même. C'est surtout au niveau du bus et des périphériques que les changements majeurs ont eu lieu. [[File:ISA Bus pins.svg|vignette|Connecteur ISA.]] Les PC 16 bits utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, les cartes d'extension et tout le reste. Le bus en question s'appelait le '''bus AT''', mais il a rapidement été renommé en '''bus ISA''' (''Industry Standard Architecture''). Le bus ISA était prévu pour avoir une compatibilité avec le bus 8 bits de l'IBM PC originel. D'ailleurs, cela se ressent jusque dans le connecteur utilisé : le connecteur ISA est un connecteur XT qu'on a fusionné avec un second connecteur pour l'étendre de 8 à 16 bits. Les PC 16 bits avaient toujours un port série, un port parallèle, un clavier, un lecteur de disquette et des cartes d'extension. Des disques durs pouvaient être ajoutés, aussi. Mais pour ces périphériques, un changement majeur a eu lieu comparé à l'IBM PC originel. L'IBM PC originel utilisait des cartes d'extension pour tout, sauf le clavier. Mais maintenant, les périphériques ne sont plus connectés à une carte d'extension. A la place, les circuits de la carte d'extension sont déplacés sur la carte mère. Mais n'allez pas croire qu'ils étaient connectés directement au bus ISA, il y avait des intermédiaires. Le clavier était relié à un '''contrôleur de clavier''', qui faisait l'interface entre le connecteur du clavier et le bus ISA. Le contrôleur de clavier était appelé le ''Keyboard Controler'', abrévié en KB. Il recevait ce qui est tapé au clavier et traduisait cela en quelque chose de compréhensible par l'ordinateur. Les autres périphériques étaient connectés à un circuit intégré dédié : l''''Intel 82091AA'''. Il était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle. Il servait d'intermédiaire entre ces périphériques et le bus ISA. Vous pouvez le voir comme une sorte de répartiteur, mais qui ne serait pas connecté sur le processeur et la RAM Enfin, il ne faut pas oublier les autres composants présents sur l'IBM PC originel. Le BIOS est toujours là, de même que les ''timers'' Intel 8253 PIT, le contrôleur d'interruption Intel 8259 et le contrôleur DMA Intel 8237. Les PC 16 bits ont aussi intégré une ''Real Time Clock'' (RTC). Pour rappel, c'est un composant qui permet au PC de mémoriser la date et l'heure courante, à la seconde près. Le tout est résumé dans le schéma ci-dessous. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Un point important est que le bus ISA allait à la même fréquence que le processeur, vu que c'était un bus système. Les processeurs de l'époque étaient des CPU 286 d'Intel, ou le 386 d'Intel. Les Intel 286 allaient de 4 MHz minimum, à 25 MHz maximum. Le 386, quant à lui, allait de 12 à 40 MHz. Le bus ISA devait aller à cette fréquence, il était synchrone avec le processeur. Par la suite, les processeurs ont gagné en performance, ce qui fait que le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Une idée a alors été de conserver le bus ISA, pour des raisons de compatibilité, mais de le reléguer comme bus secondaire. L'ordinateur contient alors deux bus : un bus système, et un bus ISA secondaire. Le lien entre les deux est réalisé par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le bus ISA fonctionnait alors sa fréquence usuelle, alors que le bus système était beaucoup plus rapide. Le bus système fonctionnait à une fréquence bien plus élevée, ce qui fait que le processeur pouvait communiquer à pleine vitesse, notamment avec la RAM. Le processeur n'était alors plus forcé à aller à la même fréquence que le bus ISA [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Les PC de l'époque intégraient donc plusieurs bus séparés. Vous avez bien lu : plusieurs bus ! Ici, il s'agit de ce que j'appelle des '''bus en cascade''', à savoir qu'un bus est connecté à un autre bus par un intermédiaire. Au passage, si j'aborde ces exemples, car c'est pareil sur les ordinateurs modernes. Le pont ISA a été remplacé par des circuits différents, mais qui ont un rôle assez similaire. Le ''chipset'' de votre carte mère n'est qu'un lointain descendant du pont ISA, qui s'interface avec des bus différents. ===L'arrivée des standards AT et IDE pour les disques durs=== Initialement, les disques durs étaient placés dans l'ordinateur et étaient connectés sur le bus ISA, via une carte d'extension ISA. En clair, il fallait connecter le disque dur sur une carte d'extension, et non sur la carte mère. Les cartes d'extension en question permettaient de connecter un ou plusieurs disques durs, parfois des lecteurs de disquette supplémentaires. Les cartes ISA de ce type faisaient juste l'interface entre le bus ISA et les disques durs, rien de plus. L'interface en question a été standardisée, ce qui a donné le standard ''AT Bus Attachment'', qui a été abrévié en ATA. Et ce n'était pas que pour les disques durs, de nombreux composants étaient dans ce cas. Une carte d'extension servait d'intermédiaire entre eux et la carte mère. Les cartes d'extension en question étaient appelées des ''Host bus adapter''. [[File:Acculogic sIDE-4 Controller ISA.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte ISA d'interface disque dur, de marque Acculogic.]] Mais les choses ont rapidement évoluées, que ce soit du côté des cartes mères que du côté des disques durs. Le '''standard IDE''' a permis de brancher un disque dur directement sur la carte mère, sans passer par une carte d'interface ISA. Pour cela, la carte mère réservait un connecteur ISA pour le disque dur, renommé '''connecteur ATA'''. Pour que cela soit possible, il a fallu rajouter des circuits sur la carte mère. Tout ce qui était sur les cartes d'interface ISA s'est retrouvé sur la carte mère. [[File:Ajout des ports IDE sur la carte mère.png|centre|vignette|upright=2|Ajout des ports IDE sur la carte mère]] En réalité, les connecteurs ATA étaient des connecteurs ISA simplifiés. Un connecteur ISA avait en tout 98 broches, alors qu'un connecteur ATA n'en contient que 40. Les broches qui étaient inutiles pour les disques durs ont simplement été enlevées. Et qui dit connecteur spécialisé, dit câble spécialisé. Les disques durs étaient branchés sur le connecteur AT grâce à un câble ATA, sur lequel on pouvait connecter deux disques durs. [[File:ATA Plug.svg|centre|vignette|upright=2|Connecteur ATA.]] [[File:ATA cables.jpg|centre|vignette|upright=2|Cable ATA.]] Il était donc possible de connecter deux disques durs sur un seul connecteur ATA. Et cette possibilité est devenue d'autant plus utile par la suite. A partir de la version 2, ATA supportait aussi les lecteurs de disquettes, les lecteurs de CD/DVD, et bien d'autres supports de stockage. Il était alors possible de connecter un lecteur CD et un disque dur sur un seul connecteur. Les cartes mères avaient généralement deux connecteurs ATA, et n'avaient pas besoin de plus. C'était suffisant pour connecter un disque dur, un lecteur de disquette et un lecteur CD, configuration courante entre les années 90 et 2000. Un câble est donc connecté à deux supports de stockage. Pour distinguer les deux, le standard ATA ajoute une possibilité de configuration. Sur un câble, il doit y avoir un support de stockage "maitre" et un support "esclave". C'était la terminologie de l'époque, que je reproduis ici, même si elle est fortement trompeuse. N'allez pas croire que cela implique que l'un ait des avantages sur l'autre. Le support 'maitre" n'a pas droit à plus de bande passante, il n'a pas la priorité sur l'autre, rien du tout. Il s'agit juste d'un nombre qui permet de savoir avec qui le processeur communique, qui vaut 0 pour le premier support, 1 pour l'autre. Une sorte d'adresse de 1 bit, si l'on veut. [[File:ATA-Konfiguration02.png|centre|vignette|upright=2|Configuration ATA.]] Pour configurer un support de stockage en mode "maitre" ou "esclave", le support de stockage avait quelques pins dédiés. Il suffisait de placer un détrompeur en plastique sur les pins adéquats. Les pins se trouvaient à l'arrière du disque dur ou du lecteur de CD/DVD/Disquette/autre. [[File:HDD Master and Slave Description.jpg|centre|vignette|upright=2|Configuration ''Master/Slave''.]] ===L'architecture d'un PC avec un processeur Intel 486=== Maintenant, passons aux ordinateurs 32 bits, avec l'exemple d'un PC avec un processeur 486 d'Intel. A cette époque, le bus ISA était devenu trop limité et était en place d'être remplacé par le bus PCI, qui avait la même fonction. De nombreuses cartes d'extension utilisaient déjà ce standard et étaient branchées sur des connecteurs PCI dédiés, différents des connecteurs ISA. Intuitivement, on se dit que le bus PCI remplaçait le bus ISA, mais les choses étaient plus compliquées. Les disques durs gardaient leur connecteur ATA, et ne passaient pas par le bus PCI. Ils avaient un bus IDE séparé, qui était un bus ISA modifié. Là encore, les processeurs étaient devenus beaucoup plus rapides que le bus PCI. Les deux allaient à des fréquences assez différentes, ce qui fait que le bus PCI était séparé du bus système. Il y avait alors deux implémentations possibles. * La première utilise un répartiteur unique, relié au processeur, à la RAM, au bus PCI, et au bus IDE. * La seconde utilise un bus système séparé du bus PCI, avec un '''pont PCI''' pour faire l'interface entre les deux. Le '''''System Controler''''' était un circuit intégré, placé sur la carte mère, qui peut servir soit de pont PCI, soit de répartiteur. Le répartiteur PCI sert d'intermédiaire avec le bus PCI, mais aussi avec le bus IDE, utilisé pour les disques durs, aussi appelé le bus ''Parallel ATA''. Il peut aussi être connecté au processeur, à la mémoire RAM, ainsi qu'à la mémoire cache, mais cela ne sert que quand il est utilisé comme répartiteur. [[File:Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur.png|centre|vignette|upright=2|Architecture d'un PC utilisant un bus PCI, implémentation avec un répartiteur]] Pour des raisons de compatibilité, le bus ISA avait été conservé, aux côtés du bus PCI. Il y avait un pont ISA en plus du pont/répartiteur PCI. Une implémentation possible aurait été de connecter les deux ponts ISA et PCI à un bus système unique. Mais cette solution n'a pas été retenue. La raison est que le bus PCI et le bus ISA ont des performances très différentes. Le bus PCI est très rapide, le bus ISA beaucoup plus lent. La différence est d'un ordre de grandeur, environ. Dans ces conditions, il est possible de faire passer les communications ISA à travers le bus PCI. Pour cela, le pont ISA est directement connecté sur le pont PCI, comme illustré ci-dessous. Et il en est de même pour le bus dédié aux disques durs. En effet, les disques durs étaient autrefois reliés au bus ISA, mais cela a changé depuis. Ils disposent maintenant de leur propre bus dédié, le '''bus IDE''', qui est un bus ISA simplifié. Et ce bus ISA simplifié était connecté directement sur le pont PCI. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Dans ce qui va suivre, nous allons étudier un exemple qui utilise un bus système séparé, avec un pont PCI, sans répartiteur. Voilà pour les grandes lignes, mais le schéma ci-dessous montre que tout est plus complexe. Vous remarquerez des connexions optionnelles entre le pont PCI et la mémoire RAM et la mémoire cache. La raison est que le pont PCI peut aussi servir de répartiteur en remplacement du bus système. Concrètement, on peut alors retirer le bus système. La mémoire, le bus PCI, le bus ISA, le bus IDE, le processeur et la RAM sont alors connectés au répartiteur PCI, qui sert d'intermédiaire central entre tous ces composants. Mais ce n'est pas la solution qui a été retenue dans notre exemple. [[File:Intel486-Typ PCI System.png|centre|vignette|upright=2|PC IBM compatible avec un 486, un bus PCI et un bus ISA. Le ''host bus'' est le bus système.]] Le pont ISA sert ici d'intermédiaire entre le bus système et le bus ISA. De plus, il a été amélioré sur de nombreux points. Il inclut notamment des circuits qui étaient autrefois sur la carte mère, à savoir le contrôleur DMA 82C87 et le contrôleur d'interruption 82C59, ainsi que les ''timers'' Intel 82C54. Les composants restants sont eux reliés sur un quatrième bus : le bus X, l'ancêtre du bus ''Low Pin Count''. Le bus X était celui du BIOS, du contrôleur de clavier, de la ''Real Time Clock'', et du contrôleur de périphérique 82091AA d'Intel. [[File:ISA Bridge schematic.png|centre|vignette|upright=2|ISA Bridge.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | prevText=L'interface électrique entre circuits intégrés et bus | next=La hiérarchie mémoire | nextText=La hiérarchie mémoire }} </noinclude> farlihprxo2zoxx6w9s6rru4ag5pkld 0 65962 762428 761077 2026-03-28T14:09:46Z Mewtow 31375 /* Le réseau d'interconnexion inter-processeur */ 762428 wikitext text/x-wiki Pour réellement tirer parti du parallélisme de taches, rien ne vaut l'utilisation de plusieurs processeurs et/ou de plusieurs ordinateurs, qui exécutent chacun un ou plusieurs programmes dans leur coin. Si utiliser plusieurs ordinateurs connectés par un réseau local est une solution simple et facile à implémenter, elle est cependant assez onéreuse et demande des logiciels adaptés qui permettent de profiter d'une telle architecture matérielle. D'autres solutions multiprocesseurs ont alors vu le jour pour rendre l'usage de plusieurs processeurs plus adéquat. ==Les systèmes multiprocesseur== Les '''systèmes multiprocesseur''' placent plusieurs processeurs sur la même carte mère. Cette méthode marchait bien mais n'était pas des plus pratique, surtout que l'utilisation de plusieurs processeurs en même temps n'était de plus pas vraiment démocratisé à cette époque. Les logiciels et les systèmes d'exploitation grand public n'étaient pas adaptés pour, la demande pour des ordinateurs multiprocesseurs était limitée à quelques professionnels et ne justifiait pas un investissement majeure dans ces technologies. Au niveau matériel, il fallait une carte mère adaptée, qui n'était pas facilement disponible et coûtait généralement plus cher que les cartes mères à un seul processeur. Sans compter qu'il valait mieux avoir une mémoire RAM rapide et des processeurs dotés de beaucoup de mémoire cache, ce qui coûtait encore plus cher. Au final, le gain était assez faible en terme de performance, peu de logiciels grand public profitaient de l'usage de plusieurs processeurs, la technologie est restée confidentielle. ===Le réseau d'interconnexion inter-processeur=== Un système multi-processeurs doit connecter entre eux plusieurs processeurs. Pour cela, les cartes mères multi-processeurs incorporent un réseau d'interconnexion pour connecter les processeurs entre eux, et les connecter avec la mémoire et les autres entrées-sorties. Il s'agit d'un '''réseau d'interconnexion inter-processeur''', placé sur la carte mère. Les processeurs sont tous connectés en utilisant deux solutions : soit avec un bus partagé, soit avec un réseau d'interconnexion très complexe. Une solution simple relie les processeurs/cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Et suivant que l'on parle de systèmes multi-processeurs ou multicœurs, le bus qui est partagé n'est pas le même. Le cas le plus simple est celui d'une architecture multi-processeurs. Les processeurs sont alors tous reliés à la mémoire RAM à travers le bus mémoire. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multiprocesseurs à bus partagé]] De nos jours, les cartes mères pour serveur n'utilisent plus de bus partagé, mais utilisent un réseau d'interconnexion plus élaboré. Le réseau en question est un vrai réseau, qui peut être un réseau en anneau, un réseau crossbar, un réseau routé, etc. Le réseau d'interconnexion relie entre eux les cœurs, l'interface avec la mémoire RAM, le cache partagé L3/L4, mais aussi le bus PCI-Express, le GPU et quelques autres circuits séparés. [[File:Architecture multicoeurs et réseau sur puce.png|centre|vignette|upright=1.5|Architecture multicoeurs et réseau sur puce]] Les systèmes multi-processeurs modernes utilisent des réseaux d'interconnexion standardisés, les standards les plus communs étant l'HyperTransport, l'Intel QuickPath Interconnect, l'IBM Elastic Interface, le Intel Ultra Path Interconnect, l'Infinity Fabric, etc. Ils remplacent le fameux ''front-side bus'' des tout premiers processeurs multicœurs. Un exemple de réseau d'interconnexion est celui des architectures AMD EPYC, de microarchitecture Zen 1. Elles utilisaient des chiplets, à savoir que le processeur était composé de plusieurs puces interconnectées entre elles. Chaque puce contenait un processeur multicoeurs intégrant un cache L3, avec un réseau d'interconnexion interne au processeur sans doute basé sur un ensemble de bus. De plus, les puces étaient reliées à une puce d'interconnexion qui servait à la fois d'interface entre les processeurs, mais aussi d'interface avec la R1AM, le bus PCI-Express, etc. La puce d'interconnexion était gravée en 14 nm contre 7nm pour les chiplets des cœurs. {| |[[File:AMD Epyc 7702 delidded.jpg|centre|vignette|upright=2|AMD Epyc 7702.]] |[[File:AMD Epyc Rome Aufbau.png|centre|vignette|upright=2|Schéma fonctionnel de l'AMD Epyc.]] |} ===Les interruptions inter-processeurs=== Les différents processeurs sont gérés par le système d'exploitation de l'ordinateur, avec l'aide d''''interruptions inter-processeurs''', des interruptions déclenchées sur un processeur et exécutées sur un autre, éventuellement par tous les autres pour certaines interruptions spécifiques. Pour générer des interruptions inter-processeur, le contrôleur d'interruption doit pouvoir rediriger des interruptions déclenchées par un processeur vers un autre. Un exemple d'implémentation très simple est celui de la console Néo-géo, qui contenait deux processeurs. Le premier est un Motorola 68000 qui sert de processeur principal, l'autre est un Z80 qui sert de processeur dédié à l'audio. Le Z80 commande un synthétiseur sonore, et est relié à sa propre mémoire, distincte de la mémoire principale. Le MC68000 est le processeur principal et a une relation maitre-esclave avec le Z80 : le MC68000 envoie des interruptions au Z80, mais la communication ne va pas dans l'autre sens. Les deux processeurs communiquent via l'intermédiaire d'un '''''IO arbiter chip''''', un circuit sur la carte mère connecté au bus, qui gère les interruptions inter-processeur. Il contient un registre de 8 bits, dans lequel le MC68000 peut écrire dedans à sa guise, le registre étant adressable par le processeur. Les valeurs écrites dans ce registre sont des numéros d'interruption, qui indiquent quelle routine d'interruption exécuter. Lorsque le MC68000 écrit une valeur dedans, cela déclenche l’exécution automatique d'une interruption sur le Z80. Le code de 8 bits est envoyé au processeur Z80, en parallèle de l'interruption. : Il est possible de voir ce ''IO arbiter chip'' comme un contrôleur d'interruptions spécialisé dans les interruptions inter-processeur. Les anciens PC incorporaient sur leur carte mère un contrôleur d'interruption créé par Intel, le 8259A, qui ne gérait pas les interruptions inter-processeurs. Les cartes mères multiprocesseurs devaient incorporer un contrôleur spécial en complément. De nos jours, chaque cœur x86 possède son propre contrôleur d’interruption, le local APIC, qui gère les interruptions en provenance ou arrivant vers ce processeur. On trouve aussi un IO-APIC, qui gère les interruptions en provenance des périphériques et de les redistribuer vers les APIC locaux. L'IO-APIC gère aussi les interruptions inter-processeurs en faisant passer les interruptions d'un local APIC vers un autre. Tous les APIC locaux et l'IO-APIC sont reliés ensembles par un bus APIC spécialisé, par lequel ils vont pouvoir communiquer et s'échanger des demandes d'interruptions. [[File:Contrôleurs d'interrptions sur systèmes x86 multicoeurs.png|centre|vignette|upright=1.5|Contrôleurs d’interruptions sur systèmes x86 multicœurs.]] On peut préciser le processeur de destination en configurant certains registres du IO-APIC, afin que celui-ci redirige la demande d'interruption d'un local APIC vers celui sélectionné. Cela se fait avec l'aide d'un registre de 64 bits nommé l'''Interrupt Command Register''. Pour simplifier le mécanisme complet, chaque processeur se voit attribuer un Id au démarrage qui permet de l'identifier (en fait, cet Id est attribué au local APIC de chaque processeur). Certains bits de ce registre permettent de préciser quel est le type de transfert : doit-on envoyer l'interruption au processeur émetteur, à tous les autres processeurs, à un processeur particulier. Dans le dernier cas, certains bits du registre permettent de préciser l'Id du processeur qui va devoir recevoir l'interruption. À charge de l'APIC de faire ce qu'il faut en fonction du contenu de ce registre. ==Les processeurs multicœurs== Puis, avec les progrès en matière de miniaturisation des processeurs, les fabricants ont eu l'idée d'utiliser les transistors qu'ils avaient pour fabriquer des '''processeurs multicœurs''', un terme que vous avez peut-être déjà entendu sans vraiment comprendre ce qu'il signifiait réellement. Les processeurs multicœurs peuvent être vus comme un regroupement de plusieurs processeurs sur la même puce de silicium. Pour être plus précis, ils contiennent plusieurs ''cœurs'', chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, que ce soit un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœurs, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. Dans ce qui suit, nous utiliserons le terme cœurs pour désigner soit les cœurs d'un processeur multicœurs, soit les différents processeurs d'un ordinateur multiprocesseur. Tout le contenu de ce chapitre vaut aussi bien pour les systèmes multicœurs que multiprocesseur. Les différences entre les deux sont mineures, les deux font face aux mêmes problèmes, les mêmes solutions peuvent s'appliquer sur les deux types de systèmes. ===Le multicœurs symétrique ou asymétrique=== Dans la grosse majorité des cas, les cœurs d'un processeur multicœurs sont tous identiques. Mais ce n'est certainement pas une obligation et on peut très bien mettre plusieurs cœurs assez différents sur la même puce. On peut par exemple utiliser un cœur principal avec des cœurs plus spécialisés autour. Il faut ainsi distinguer le '''multicœurs symétrique''', dans lequel on place des processeurs identiques sur la même puce de silicium, du '''multicœurs asymétrique''' où les cœurs ne sont pas identiques. Un exemple est celui du processeur CELL de la console de jeu PS3. Il intègre un cœur principal POWER PC v5 et 8 coeurs qui servent de processeurs auxiliaires. Le processeur principal est appelé le PPE et les processeurs auxiliaires sont les SPE. Les SPE sont reliés à une mémoire locale (''local store'') de 256 kibioctets qui communique avec le processeur principal via un bus spécial. Les SPE communiquent avec la RAM principale via des contrôleurs DMA. Les SPE possèdent des instructions permettant de commander leur contrôleur DMA et c'est le seul moyen qu'ils ont pour récupérer des informations depuis la mémoire. Et c'est au programmeur de gérer tout ça ! C'est le processeur principal qui va envoyer aux SPE les programmes qu'ils doivent exécuter. Il délègue des calculs aux SPE en écrivant dans le local store du SPE et en lui ordonnant l’exécution du programme qu'il vient d'écrire. [[File:Schema Cell.png|centre|vignette|upright=2|Architecture du processeur CELL de la PS3. Le PPE est le processeur principal, les SPE sont des processeurs auxiliaires qui comprennent : un ''local store'' noté LS, un processeur noté SXU, et un contrôleur DMA pour échanger des informations avec la mémoire principale.]] ===Les architectures à cœurs conjoints=== Sur certains processeurs multicœurs, certains circuits sont partagés entre plusieurs cœurs. Typiquement, l'unité de calcul flottante est partagée entre deux coeurs/''threads'', les unités SIMD qu'on verra dans quelques chapitres sont aussi dans ce cas. Le partage de circuits permet d'éviter de dupliquer trop de circuits et donc d'économiser des transistors. Le problème est que ce partage est source de dépendances structurelles, ce qui peut entraîner des pertes de performances. Cette technique consistant de partage d'unités de calcul entre coeurs s'appelle le '''cluster multithreading''', ou encore les '''architectures à cœurs conjoints''' (''Conjoined Core Architectures''). Elle est notamment utilisée sur les processeurs AMD de microarchitecture Bulldozer, incluant ses trois révisions ultérieures nommées Piledriver, Steamroller et Excavator. Un exemple est celui des processeurs AMD FX-8150 et FX-8120. Sur ces processeurs, les instructions sont chargées dans deux files d'instructions séparées, une par ''thread'' matériel. Les instructions sont ensuite décodées par un décodeur unique et renommées dans une unité de renommage unique. Par la suite, il y a deux voies entières séparées et une voie flottante partagée. Chaque voie entière a sa propre fenêtre d'instruction entière, son tampon de ré-ordonnancement, ses unités de calcul dédiées, ses registres, sa ''load-store queue'', son cache L1. Par contre, la voie flottante partage les unités de calcul flottantes et n'a qu'une seule fenêtre d'instruction partagée par les deux ''threads''. [[File:AMD Bulldozer microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Bulldozer d'AMD.]] La révision Steamroller sépara le ''front-end'' en deux voies distinctes, une par ''thread''. Concrètement, elle ajouta un second décodeur d'instruction, une seconde file de micro-opération et une seconde unité de renommage de registres, afin d'améliorer les performances. Niveaux optimisations mineures, les stations de réservation ont été augmentées, elles peuvent mémoriser plus de micro-opérations, idem pour les bancs de registre et les files de lecture/écriture. Un cache de micro-opérations a été ajouté, de même que des optimisations quant au renommage de registre. Des ALU ont aussi été ajoutées, des FPU retirées. [[File:AMD excavator microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Excavator d'AMD.]] ===Les architectures ''many core''=== Les architectures ''many core'' ont un très grand nombre de cœurs, plus d'une cinquantaine, voire plusieurs centaines ou milliers. La différence est surtout une question de degré, mais aussi de but recherché. Les architectures multicœurs sont surtout conçues pour les ordinateurs personnels, éventuellement les serveurs. Elles recherchent un bon compromis entre un grand nombre de cœurs, et une bonne performance pour les programmes non-parallèles. En clair, elles évitent de sacrifier les performances pour les applications non-parallèles, ce qui fait que leurs cœurs sont généralement très puissants, avec beaucoup d'optimisations micro-architecturales. Les architectures ''many core'' font le compromis inverse : elles ont beaucoup de cœurs, mais ceux-ci ne sont pas très puissants, surtout pour les applications non-parallèles. Les cœurs des architectures ''many core'' sont généralement des cœurs sans exécution dans le désordre, sans prédiction de branchements, sans renommage de registres, voire sans pipeline ni parallélisme d'instruction. ==Le partage des caches== Quand on conçoit un processeur multicœur, il ne faut pas oublier ce qui arrive à la pièce maîtresse de tout processeur actuel : le cache ! Pour le moment nous allons oublier le fait que les processeurs ont une hiérarchie de caches, avec des caches L1, L2, L3 et autres. Nous allons partir du principe qu'un processeur simple cœur a un seul cache, et voir comment adapter le cache à la présence de plusieurs cœurs. Nous allons rapidement lever cette hypothèse, pour étudier le cas où un processeur multicœur a une hiérarchie de caches, mais seulement après avoir vu le cas le plus simple à un seul cache. ===Le partage des caches sans hiérarchie de caches : caches dédiés et partagés=== Avec un seul niveau de cache, sans hiérarchie, deux solutions sont possibles. La première consiste à garder un seul cache, et de le partager entre les cœurs. L'autre solution est de dupliquer le cache et d'utiliser un cache par cœur. Les deux solutions sont appelées différemment. On parle de '''caches dédiés''' si chaque cœur possède son propre cache, et de '''cache partagé''' avec un cache partagé entre tous les cœurs. Ces deux méthodes ont des inconvénients et des avantages. {| |[[File:Caches dédiés.png|vignette|Caches dédiés]] |[[File:Caches partagés.png|vignette|Cache partagé]] |} Le premier point sur lequel comparer caches dédiés et partagés est celui de la capacité du cache. La quantité de mémoire cache que l'on peut placer dans un processeur est limitée, car le cache prend beaucoup de place, près de la moitié des circuits du processeur. Aussi, un processeur incorpore une certaine quantité de mémoire cache, qu'il faut répartir entre un ou plusieurs caches. Les caches dédiés et partagés ne donnent pas le même résultat. D'un côté, le cache partagé fait que toute la mémoire cache est dédiée au cache partagé, qui est très gros. De l'autre, on doit répartir la capacité du cache entre plusieurs caches séparés, individuellement plus petits. En conséquence, on a le choix entre un petit cache pour chaque processeur ou un gros cache partagé. Le choix entre les deux n'est pas simple, mais doit tenir compte du fait que les programmes exécutés sur les cœurs n'ont pas les mêmes besoins. Certains programmes sont plus gourmands et demandent beaucoup de cache, alors que d'autres utilisent peu la mémoire cache. Avec un cache dédié, tous les programmes ont accès à la même quantité de cache, car les caches des différents cœurs sont de la même taille. Les caches dédiés étant assez petits, les programmes plus gourmands devront se débrouiller avec un petit cache, alors que les autres programmes auront du cache en trop. À l'opposé, un cache partagé répartit le cache de manière optimale : un programme gourmand peut utiliser autant de cache qu'il veut, laissant juste ce qu'il faut aux programmes moins gourmands. le cache peut être répartit plus facilement selon les besoins des différents programmes. [[File:Cache partagé contre cache dédié.png|centre|vignette|upright=2.5|Cache partagé contre cache dédié]] Un autre avantage des caches partagés est quand plusieurs cœurs accèdent aux même données. C'est un cas très courant, souvent lié à l'usage de mémoire partagé ou de ''threads''. Avec des caches dédiés, chaque cœur a une copie des données partagées. Mais avec un cache partagé, il n'y a qu'une seule copie de chaque donnée, ce qui utilise moins de mémoire cache. Imaginons que l'on sait 8 caches dédiés de 8 Kibioctets, soit 64 kibioctets au total, comparé à un cache partagé de même capacité totale. Les doublons dans les caches dédiés réduiront la capacité mémoire utile, effective, comparé à un cache partagé. S'il y a 1 Kibioctet de mémoire partagé, 8 kibioctets seront utilisés pour stocker ces données en doublons, seulement 1 kibioctet sur un cache partagé. Ajoutons aussi que la cohérence des caches est grandement simplifiée avec l'usage d'un cache partagé, vu que les données ne sont pas dupliquées dans plusieurs caches. Mais le partage du cache peut se transformer en inconvénient si les programmes entrent en compétition pour le cache, que ce soit pour y placer des données ou pour les accès mémoire. Deux programmes peuvent vouloir accéder au cache en même temps, voire carrément se marcher sur les pieds. La résolution des conflits d'accès au cache est résolu soit en prenant un cache multiport, avec un port dédié par cœur, soit par des mécanismes d'arbitrages avec des circuits dédiés. Le revers de la médaille tient au temps de latence. Plus un cache est gros, plus il est lent. En conséquence, des caches dédiés seront plus rapides qu'un gros cache partagé plus lent. ===Le partage des caches adapté à une hiérarchie de caches=== Dans la réalité, un processeur multicœur ne contient pas qu'un seul cache, mais une hiérarchie de caches avec des caches L1, L2 et L3, parfois L4. Dans cette hiérarchie, certains caches sont partagés entre plusieurs cœurs, les autres sont dédiés. Le cache L1 n'est jamais partagé, car il doit avoir un temps d'accès très faible. Pour les autres caches, tout dépend du processeur. [[File:Dual Core Generic.svg|vignette|Cache L2 partagé.]] Les premiers processeurs multicœurs commerciaux utilisaient deux niveaux de cache : des caches L1 dédiés et un cache L2 partagé. Le cache L2 partagé était relié aux caches L1, grâce à un système assez complexe d'interconnexions. Le cache de niveau L2 était souvent simple port, car les caches L1 se chargent de filtrer les accès aux caches de niveau inférieurs. Les processeurs multicœurs modernes ont des caches L3 et même L4, de grande capacité, ce qui a modifié le partage des caches. Le cache de dernier niveau, à savoir le cache le plus proche de la mémoire, est systématiquement partagé, car son rôle est d'être un cache lent mais gros. Il s'agit le plus souvent d'un cache de L3, plus rarement L4. Sur certains processeurs multicœurs, le cache de dernier niveau n'est techniquement pas dans le cœur, mais fait partie d'un ensemble de circuits reliés, comme le contrôleur mémoire ou l'interface mémoire. Il fonctionne à une fréquence différente du processeur, n'a pas la même tension d'alimentation, etc. Le cas du cache L2 dépend des architectures : il est partagé sur certains processeurs, dédié sur d'autres. Mais sur les processeurs modernes, c'est un cache dédié soit par cœur, soit pour un groupe de cœurs. Dans le cas le plus courant, chaque cache L2 est partagé entre plusieurs cœurs mais pas à tous. En effet, on peut limiter le partage du cache à quelques cœurs particuliers pour des raisons de performances. [[File:Partage des caches sur un processeur multicoeurs.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur multicœur.]] D'autres processeurs ont des caches L2 dédiés. Il s'agit surtout des processeurs multicœurs anciens, parmi les premières générations de processeurs multicœurs. Un exemple est celui de la microarchitecture Nehalem d'Intel. Il avait des caches L1 et L2 dédiés, mais un cache L3 partagé. [[File:Nehalem EP.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur Intel d'architecture Nehalem.]] ===Les caches partagés centralisés et distribués=== Un point important est que quand on parle de cache partagé ou de cache dédié, on ne parle que de la manière dont les cœurs peuvent accéder au cache, pas de la manière dont le caches est réellement localisé sur la puce. En théorie, qui dit plusieurs caches dédiés signifie que l'on a vraiment plusieurs caches séparés sur la puce. Et chaque cache dédié est proche du cœur qui lui est attribué. Et pour les caches partagés unique, une portion de la puce de silicium contient le cache, que cette portion est un énorme bloc de transistors. Il est généralement placé au milieu de la puce ou sur un côté, histoire de facilement le connecter à tous les cœurs. Mais pour les caches séparés, ce n'est pas toujours le cas. Avoir un cache énorme poserait des problèmes sur les architectures avec beaucoup de cœurs. En réalité, le cache est souvent découpé en plusieurs banques, reliées à un contrôleur du cache par un système d'interconnexion assez complexe. Les banques sont physiquement séparées, et il arrive qu'elles soient placées proche d'un cœur chacune. L'organisation des banques ressemble beaucoup à l'organisation des caches dédiés, avec une banque étant l'équivalent d'un cache dédié. La différence est que les cœurs peuvent lire et écrire dans toutes les banques, grâce au système d'interconnexion et au contrôleur de cache. Tel était le cas sur les processeurs AMD Jaguar. Ils avaient un cache L2 de 2 mébioctets, partagés entre tous les cœurs, qui était composé de 4 banques de 512 Kibioctets. Les quatre banques du cache étaient reliées aux 4 cœurs par un réseaux d'interconnexion assez complexe. [[File:AMDJaguarModule.png|centre|vignette|upright=2|AMD Jaguar Module]] La différence entre les deux solutions pour les caches partagés porte le nom de cache centralisés versus distribués. Un gros cache unique sur la puce est un '''cache centralisé''', et c'est généralement un cache partagé. Mais un cache composé de plusieurs banques dispersées sur la puce est un '''cache distribué''', qui peut être aussi bien dédié que partagé. ===Les caches virtualisés=== Il faut noter que quelques processeurs utilisent cette technique pour fusionnent le cache L2 et le cache L3. Par exemple, les processeurs IBM Telum utilisent des caches L3 virtualisés, dans leurs versions récentes. Le processeur Telum 2 contient 10 caches L2 de 36 mébioctets chacun, soit 360 mébioctets de cache. L'idée est que ces 360 mébioctets sont partagés à la demande entre cache L2 dédié et cache L3. On parle alors de '''cache virtualisé'''. Un cache de 36 mébioctet est associé à un cœur, auquel il est directement relié. Les cœurs n'utilisent pas tous leur cache dédié à 100% Il arrive que des cœurs aient des caches partiellement vides, alors que d'autres on un cache qui déborde. L'idée est que si un cœur a un cache plein, les données évincées du cache L2 privé sont déplacées dans le cache L2 d'un autre cœur, qui lui est partiellement vide. Le cache L2 en question est alors partitionné en deux : une portion pour les données associée à son cœur, une portion pour les données des L2 des autres cœurs. Pour que la technique fonctionne, le processeur mesure le remplissage de chaque cache L2. De plus, il faut gérer la politique de remplacement des lignes de cache. Une ligne de cache évincée du cache doit être déplacé dans un autre L2, pas dans les niveaux de cache inférieur, ni dans la mémoire. Du moins, tant qu'il reste de la place dans le cache L3. De plus, une lecture/écriture dans le cache L3 demande de localiser le cache L2 contenant la donnée. Pour cela, les caches L2 sont tous consultés lors d'un accès au L3, c'est la solution la plus simple, elle marche très bien si le taux de défaut du cache L2 est faible. Une telle optimisation ressemble beaucoup à un cache L2/L3 distribué, mais il y a quelques différences qui sont décrites dans le paragraphe précédent. Avec un L2 distribué, tout accès au L2 déclencherait une consultation de toutes les banques du L2. Avec un cache L3 virtualisé, ce n'est pas le cas. Le cache L2 associé au cœur est consulté, et c'est seulement en cas de défaut de cache que les autres caches L2 sont consultés. De plus, avec un cache L2 distribué, il n'y a pas de déplacement d'une ligne de cache entre deux banques, entre deux caches L2 physiques. Alors qu'avec un cache L3 virtualisé, c'est le cas en cas de remplacement d'une ligne de cache dans le cache L2. Sur le processeur Telum 1, le partage du cache L2 est assez simple. Un cache L2 fait 32 mébioctets et est découpé en deux banques de 16 mébioctets. En temps normal, les premiers 16 mébioctets sont toujours associé au cache L2, au cœur associé. Les 16 mébioctets restants peuvent soit être attribués au cache L3, soit fusionnés avec les 16 premiers mébioctets. Dans le cas où le cœur associé est en veille, n'est absolument pas utilisé, les 32 mébioctets sont attribués au cache L3. Un partage assez simple, donc. Le partage du cache L2/L3 sur les processeurs Telum 2 n'est pas connu, il est supposé être plus flexible. ==Le réseau d'interconnexion entre cœurs== Les CPU multicœurs connectent plusieurs cœurs entre eux, tout comme les systèmes multi-processeurs connectent plusieurs processeurs entre eux. Mais les transferts de données entre cœurs se font par l'intermédiaire des caches, ce qui fait que l'implémentation est différente de celle utilisée sur les systèmes multi-processeurs. Les standards pour les interconnexions entre coeurs sont assez proches de ceux utilisés pour interconnecter des processeurs, mais les standards utilisés ne sont pas les mêmes en pratique. Là encore, les cœurs sont connectés entre eux soit par un bus, soit par un réseau d'interconnexion. ===Le bus partagé entre plusieurs cœurs=== Une solution simple relie les cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Le cas le plus simple est celui où chaque cœur dispose de caches dédiés, qui sont alors tous reliés au bus mémoire, qui sert d'intermédiaire. Mais l'idée doit être adaptée sur les processeurs multicœurs avec des caches partagés. Voyons d'abord le cas d'un CPU avec deux niveaux de cache, dont un cache L2 est partagé entre tous les cœurs. Les caches L1 sont reliés au cache L2 partagé par un bus, qui n'a souvent pas de nom. Nous désignerons le bus entre le cache L1 et le cache L2 : '''bus partagé''', sous-entendu partagé entre tous les caches. C'est lui qui sert à connecter les cœurs entre eux. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2]] Un processeur multicœur typique a une architecture avec trois niveaux de cache (L1, L2 et L3), avec un niveau L1 dédié par cœur, un niveau L2 partiellement partagé et un L3 totalement partagé. Le bus partagé est alors difficile à décrire, mais il correspond à l'ensemble des bus qui connectent les caches L1 aux caches L2, et les caches L2 au cache L3. Il s'agit alors d'un ensemble de bus, plus que d'un bus partagé unique. ===Le réseau d'interconnexion entre plusieurs cœurs=== Relier plusieurs cœurs avec des bus pose de nombreux problèmes techniques qui sont d'autant plus problématiques que le nombre de cœurs augmente. Le câblage est notamment très complexe, les contraintes électriques pour la transmission des signaux sont beaucoup plus fortes, les problèmes d'arbitrages se font plus fréquents, etc. Pour régler ces problèmes, les processeurs multicoeurs n'utilisent pas de bus partagé, mais un réseau d'interconnexion plus complexe. Le réseau d'interconnexion peut être très complexe, avec des connexions réseau, des commutateurs, et des protocoles d'échanges entre processeurs assez complexes basés sur du passage de messages. De telles puces utilisent un '''réseau sur puce''' (''network on chip''). Mais d'autres simplifient le réseau d'interconnexion, qui se résume à un réseau ''crossbar'', voire à des mémoires FIFO pour faire l'interface entre les cœurs. Le problème principal des réseaux sur puce est que les mémoires FIFOs sont difficiles à implémenter sur une puce de silicium. Elles prennent beaucoup de place, utilisent beaucoup de portes logiques, consomment beaucoup d'énergie, sont difficiles à concevoir pour diverses raisons (les accès concurrents/simultanés sont fréquents et font mauvais ménage avec les ''timings'' serrés de quelques cycles d'horloges requis). Il est donc impossible de placer beaucoup de mémoires FIFO dans un processeur, ce qui fait que les commutateur sont réduits à leur strict minimum : un réseau d'interconnexion, un système d'arbitrage simple parfois sans aucune FIFO, guère plus. ===Les architectures en ''tile''=== Un cas particulier de réseau sur puce est celui des '''architectures en ''tile''''', des architectures avec un grand nombre de cœurs, connectés les unes aux autres par un réseau d'interconnexion "rectangulaire". Chaque cœur est associé à un commutateur (''switch'') qui le connecte au réseau d'interconnexion, l'ensemble formant une ''tile''. [[File:Tile64-Tile.svg|centre|vignette|upright=1.5|''Tile'' de base du Tile64.]] Le réseau est souvent organisé en tableau, chaque ''tile'' étant connectée à plusieurs voisines. Dans le cas le plus fréquent, chaque ''tile'' est connectée à quatre voisines : celle du dessus, celle du dessous, celle de gauche et celle de droite. Précisons que cette architecture n'est pas une architecture distribuée dont tous les processeurs seraient placés sur la même puce de silicium. En effet, la comparaison ne marche pas pour ce qui est de la mémoire : tous les cœurs accèdent à une mémoire partagée située en dehors de la puce de silicium. Le réseau ne connecte pas plusieurs ordinateurs séparés avec chacun leur propre mémoire, mais plusieurs cœurs qui accèdent à une mémoire partagée. Un bon exemple d'architecture en ''tile'' serait les déclinaisons de l'architecture Tilera. Les schémas du-dessous montrent l'architecture du processeur Tile 64. Outre les ''tiles'', qui sont les éléments de calcul de l'architecture, on trouve plusieurs contrôleurs mémoire DDR, divers interfaces réseau, des interfaces série et parallèles, et d'autres entrées-sorties. [[File:Tile64.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture Tile64 du Tilera.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=Les architectures parallèles | prevText=Les architectures parallèles | next=Architectures multithreadées et Hyperthreading | nextText=Architectures multithreadées et Hyperthreading }} </noinclude> sjwyu0prwcwe6exity8dqtr7wuaogbq 762429 762428 2026-03-28T14:10:37Z Mewtow 31375 /* Le bus partagé entre plusieurs cœurs */ 762429 wikitext text/x-wiki Pour réellement tirer parti du parallélisme de taches, rien ne vaut l'utilisation de plusieurs processeurs et/ou de plusieurs ordinateurs, qui exécutent chacun un ou plusieurs programmes dans leur coin. Si utiliser plusieurs ordinateurs connectés par un réseau local est une solution simple et facile à implémenter, elle est cependant assez onéreuse et demande des logiciels adaptés qui permettent de profiter d'une telle architecture matérielle. D'autres solutions multiprocesseurs ont alors vu le jour pour rendre l'usage de plusieurs processeurs plus adéquat. ==Les systèmes multiprocesseur== Les '''systèmes multiprocesseur''' placent plusieurs processeurs sur la même carte mère. Cette méthode marchait bien mais n'était pas des plus pratique, surtout que l'utilisation de plusieurs processeurs en même temps n'était de plus pas vraiment démocratisé à cette époque. Les logiciels et les systèmes d'exploitation grand public n'étaient pas adaptés pour, la demande pour des ordinateurs multiprocesseurs était limitée à quelques professionnels et ne justifiait pas un investissement majeure dans ces technologies. Au niveau matériel, il fallait une carte mère adaptée, qui n'était pas facilement disponible et coûtait généralement plus cher que les cartes mères à un seul processeur. Sans compter qu'il valait mieux avoir une mémoire RAM rapide et des processeurs dotés de beaucoup de mémoire cache, ce qui coûtait encore plus cher. Au final, le gain était assez faible en terme de performance, peu de logiciels grand public profitaient de l'usage de plusieurs processeurs, la technologie est restée confidentielle. ===Le réseau d'interconnexion inter-processeur=== Un système multi-processeurs doit connecter entre eux plusieurs processeurs. Pour cela, les cartes mères multi-processeurs incorporent un réseau d'interconnexion pour connecter les processeurs entre eux, et les connecter avec la mémoire et les autres entrées-sorties. Il s'agit d'un '''réseau d'interconnexion inter-processeur''', placé sur la carte mère. Les processeurs sont tous connectés en utilisant deux solutions : soit avec un bus partagé, soit avec un réseau d'interconnexion très complexe. Une solution simple relie les processeurs/cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Et suivant que l'on parle de systèmes multi-processeurs ou multicœurs, le bus qui est partagé n'est pas le même. Le cas le plus simple est celui d'une architecture multi-processeurs. Les processeurs sont alors tous reliés à la mémoire RAM à travers le bus mémoire. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multiprocesseurs à bus partagé]] De nos jours, les cartes mères pour serveur n'utilisent plus de bus partagé, mais utilisent un réseau d'interconnexion plus élaboré. Le réseau en question est un vrai réseau, qui peut être un réseau en anneau, un réseau crossbar, un réseau routé, etc. Le réseau d'interconnexion relie entre eux les cœurs, l'interface avec la mémoire RAM, le cache partagé L3/L4, mais aussi le bus PCI-Express, le GPU et quelques autres circuits séparés. [[File:Architecture multicoeurs et réseau sur puce.png|centre|vignette|upright=1.5|Architecture multicoeurs et réseau sur puce]] Les systèmes multi-processeurs modernes utilisent des réseaux d'interconnexion standardisés, les standards les plus communs étant l'HyperTransport, l'Intel QuickPath Interconnect, l'IBM Elastic Interface, le Intel Ultra Path Interconnect, l'Infinity Fabric, etc. Ils remplacent le fameux ''front-side bus'' des tout premiers processeurs multicœurs. Un exemple de réseau d'interconnexion est celui des architectures AMD EPYC, de microarchitecture Zen 1. Elles utilisaient des chiplets, à savoir que le processeur était composé de plusieurs puces interconnectées entre elles. Chaque puce contenait un processeur multicoeurs intégrant un cache L3, avec un réseau d'interconnexion interne au processeur sans doute basé sur un ensemble de bus. De plus, les puces étaient reliées à une puce d'interconnexion qui servait à la fois d'interface entre les processeurs, mais aussi d'interface avec la R1AM, le bus PCI-Express, etc. La puce d'interconnexion était gravée en 14 nm contre 7nm pour les chiplets des cœurs. {| |[[File:AMD Epyc 7702 delidded.jpg|centre|vignette|upright=2|AMD Epyc 7702.]] |[[File:AMD Epyc Rome Aufbau.png|centre|vignette|upright=2|Schéma fonctionnel de l'AMD Epyc.]] |} ===Les interruptions inter-processeurs=== Les différents processeurs sont gérés par le système d'exploitation de l'ordinateur, avec l'aide d''''interruptions inter-processeurs''', des interruptions déclenchées sur un processeur et exécutées sur un autre, éventuellement par tous les autres pour certaines interruptions spécifiques. Pour générer des interruptions inter-processeur, le contrôleur d'interruption doit pouvoir rediriger des interruptions déclenchées par un processeur vers un autre. Un exemple d'implémentation très simple est celui de la console Néo-géo, qui contenait deux processeurs. Le premier est un Motorola 68000 qui sert de processeur principal, l'autre est un Z80 qui sert de processeur dédié à l'audio. Le Z80 commande un synthétiseur sonore, et est relié à sa propre mémoire, distincte de la mémoire principale. Le MC68000 est le processeur principal et a une relation maitre-esclave avec le Z80 : le MC68000 envoie des interruptions au Z80, mais la communication ne va pas dans l'autre sens. Les deux processeurs communiquent via l'intermédiaire d'un '''''IO arbiter chip''''', un circuit sur la carte mère connecté au bus, qui gère les interruptions inter-processeur. Il contient un registre de 8 bits, dans lequel le MC68000 peut écrire dedans à sa guise, le registre étant adressable par le processeur. Les valeurs écrites dans ce registre sont des numéros d'interruption, qui indiquent quelle routine d'interruption exécuter. Lorsque le MC68000 écrit une valeur dedans, cela déclenche l’exécution automatique d'une interruption sur le Z80. Le code de 8 bits est envoyé au processeur Z80, en parallèle de l'interruption. : Il est possible de voir ce ''IO arbiter chip'' comme un contrôleur d'interruptions spécialisé dans les interruptions inter-processeur. Les anciens PC incorporaient sur leur carte mère un contrôleur d'interruption créé par Intel, le 8259A, qui ne gérait pas les interruptions inter-processeurs. Les cartes mères multiprocesseurs devaient incorporer un contrôleur spécial en complément. De nos jours, chaque cœur x86 possède son propre contrôleur d’interruption, le local APIC, qui gère les interruptions en provenance ou arrivant vers ce processeur. On trouve aussi un IO-APIC, qui gère les interruptions en provenance des périphériques et de les redistribuer vers les APIC locaux. L'IO-APIC gère aussi les interruptions inter-processeurs en faisant passer les interruptions d'un local APIC vers un autre. Tous les APIC locaux et l'IO-APIC sont reliés ensembles par un bus APIC spécialisé, par lequel ils vont pouvoir communiquer et s'échanger des demandes d'interruptions. [[File:Contrôleurs d'interrptions sur systèmes x86 multicoeurs.png|centre|vignette|upright=1.5|Contrôleurs d’interruptions sur systèmes x86 multicœurs.]] On peut préciser le processeur de destination en configurant certains registres du IO-APIC, afin que celui-ci redirige la demande d'interruption d'un local APIC vers celui sélectionné. Cela se fait avec l'aide d'un registre de 64 bits nommé l'''Interrupt Command Register''. Pour simplifier le mécanisme complet, chaque processeur se voit attribuer un Id au démarrage qui permet de l'identifier (en fait, cet Id est attribué au local APIC de chaque processeur). Certains bits de ce registre permettent de préciser quel est le type de transfert : doit-on envoyer l'interruption au processeur émetteur, à tous les autres processeurs, à un processeur particulier. Dans le dernier cas, certains bits du registre permettent de préciser l'Id du processeur qui va devoir recevoir l'interruption. À charge de l'APIC de faire ce qu'il faut en fonction du contenu de ce registre. ==Les processeurs multicœurs== Puis, avec les progrès en matière de miniaturisation des processeurs, les fabricants ont eu l'idée d'utiliser les transistors qu'ils avaient pour fabriquer des '''processeurs multicœurs''', un terme que vous avez peut-être déjà entendu sans vraiment comprendre ce qu'il signifiait réellement. Les processeurs multicœurs peuvent être vus comme un regroupement de plusieurs processeurs sur la même puce de silicium. Pour être plus précis, ils contiennent plusieurs ''cœurs'', chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, que ce soit un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœurs, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. Dans ce qui suit, nous utiliserons le terme cœurs pour désigner soit les cœurs d'un processeur multicœurs, soit les différents processeurs d'un ordinateur multiprocesseur. Tout le contenu de ce chapitre vaut aussi bien pour les systèmes multicœurs que multiprocesseur. Les différences entre les deux sont mineures, les deux font face aux mêmes problèmes, les mêmes solutions peuvent s'appliquer sur les deux types de systèmes. ===Le multicœurs symétrique ou asymétrique=== Dans la grosse majorité des cas, les cœurs d'un processeur multicœurs sont tous identiques. Mais ce n'est certainement pas une obligation et on peut très bien mettre plusieurs cœurs assez différents sur la même puce. On peut par exemple utiliser un cœur principal avec des cœurs plus spécialisés autour. Il faut ainsi distinguer le '''multicœurs symétrique''', dans lequel on place des processeurs identiques sur la même puce de silicium, du '''multicœurs asymétrique''' où les cœurs ne sont pas identiques. Un exemple est celui du processeur CELL de la console de jeu PS3. Il intègre un cœur principal POWER PC v5 et 8 coeurs qui servent de processeurs auxiliaires. Le processeur principal est appelé le PPE et les processeurs auxiliaires sont les SPE. Les SPE sont reliés à une mémoire locale (''local store'') de 256 kibioctets qui communique avec le processeur principal via un bus spécial. Les SPE communiquent avec la RAM principale via des contrôleurs DMA. Les SPE possèdent des instructions permettant de commander leur contrôleur DMA et c'est le seul moyen qu'ils ont pour récupérer des informations depuis la mémoire. Et c'est au programmeur de gérer tout ça ! C'est le processeur principal qui va envoyer aux SPE les programmes qu'ils doivent exécuter. Il délègue des calculs aux SPE en écrivant dans le local store du SPE et en lui ordonnant l’exécution du programme qu'il vient d'écrire. [[File:Schema Cell.png|centre|vignette|upright=2|Architecture du processeur CELL de la PS3. Le PPE est le processeur principal, les SPE sont des processeurs auxiliaires qui comprennent : un ''local store'' noté LS, un processeur noté SXU, et un contrôleur DMA pour échanger des informations avec la mémoire principale.]] ===Les architectures à cœurs conjoints=== Sur certains processeurs multicœurs, certains circuits sont partagés entre plusieurs cœurs. Typiquement, l'unité de calcul flottante est partagée entre deux coeurs/''threads'', les unités SIMD qu'on verra dans quelques chapitres sont aussi dans ce cas. Le partage de circuits permet d'éviter de dupliquer trop de circuits et donc d'économiser des transistors. Le problème est que ce partage est source de dépendances structurelles, ce qui peut entraîner des pertes de performances. Cette technique consistant de partage d'unités de calcul entre coeurs s'appelle le '''cluster multithreading''', ou encore les '''architectures à cœurs conjoints''' (''Conjoined Core Architectures''). Elle est notamment utilisée sur les processeurs AMD de microarchitecture Bulldozer, incluant ses trois révisions ultérieures nommées Piledriver, Steamroller et Excavator. Un exemple est celui des processeurs AMD FX-8150 et FX-8120. Sur ces processeurs, les instructions sont chargées dans deux files d'instructions séparées, une par ''thread'' matériel. Les instructions sont ensuite décodées par un décodeur unique et renommées dans une unité de renommage unique. Par la suite, il y a deux voies entières séparées et une voie flottante partagée. Chaque voie entière a sa propre fenêtre d'instruction entière, son tampon de ré-ordonnancement, ses unités de calcul dédiées, ses registres, sa ''load-store queue'', son cache L1. Par contre, la voie flottante partage les unités de calcul flottantes et n'a qu'une seule fenêtre d'instruction partagée par les deux ''threads''. [[File:AMD Bulldozer microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Bulldozer d'AMD.]] La révision Steamroller sépara le ''front-end'' en deux voies distinctes, une par ''thread''. Concrètement, elle ajouta un second décodeur d'instruction, une seconde file de micro-opération et une seconde unité de renommage de registres, afin d'améliorer les performances. Niveaux optimisations mineures, les stations de réservation ont été augmentées, elles peuvent mémoriser plus de micro-opérations, idem pour les bancs de registre et les files de lecture/écriture. Un cache de micro-opérations a été ajouté, de même que des optimisations quant au renommage de registre. Des ALU ont aussi été ajoutées, des FPU retirées. [[File:AMD excavator microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Excavator d'AMD.]] ===Les architectures ''many core''=== Les architectures ''many core'' ont un très grand nombre de cœurs, plus d'une cinquantaine, voire plusieurs centaines ou milliers. La différence est surtout une question de degré, mais aussi de but recherché. Les architectures multicœurs sont surtout conçues pour les ordinateurs personnels, éventuellement les serveurs. Elles recherchent un bon compromis entre un grand nombre de cœurs, et une bonne performance pour les programmes non-parallèles. En clair, elles évitent de sacrifier les performances pour les applications non-parallèles, ce qui fait que leurs cœurs sont généralement très puissants, avec beaucoup d'optimisations micro-architecturales. Les architectures ''many core'' font le compromis inverse : elles ont beaucoup de cœurs, mais ceux-ci ne sont pas très puissants, surtout pour les applications non-parallèles. Les cœurs des architectures ''many core'' sont généralement des cœurs sans exécution dans le désordre, sans prédiction de branchements, sans renommage de registres, voire sans pipeline ni parallélisme d'instruction. ==Le partage des caches== Quand on conçoit un processeur multicœur, il ne faut pas oublier ce qui arrive à la pièce maîtresse de tout processeur actuel : le cache ! Pour le moment nous allons oublier le fait que les processeurs ont une hiérarchie de caches, avec des caches L1, L2, L3 et autres. Nous allons partir du principe qu'un processeur simple cœur a un seul cache, et voir comment adapter le cache à la présence de plusieurs cœurs. Nous allons rapidement lever cette hypothèse, pour étudier le cas où un processeur multicœur a une hiérarchie de caches, mais seulement après avoir vu le cas le plus simple à un seul cache. ===Le partage des caches sans hiérarchie de caches : caches dédiés et partagés=== Avec un seul niveau de cache, sans hiérarchie, deux solutions sont possibles. La première consiste à garder un seul cache, et de le partager entre les cœurs. L'autre solution est de dupliquer le cache et d'utiliser un cache par cœur. Les deux solutions sont appelées différemment. On parle de '''caches dédiés''' si chaque cœur possède son propre cache, et de '''cache partagé''' avec un cache partagé entre tous les cœurs. Ces deux méthodes ont des inconvénients et des avantages. {| |[[File:Caches dédiés.png|vignette|Caches dédiés]] |[[File:Caches partagés.png|vignette|Cache partagé]] |} Le premier point sur lequel comparer caches dédiés et partagés est celui de la capacité du cache. La quantité de mémoire cache que l'on peut placer dans un processeur est limitée, car le cache prend beaucoup de place, près de la moitié des circuits du processeur. Aussi, un processeur incorpore une certaine quantité de mémoire cache, qu'il faut répartir entre un ou plusieurs caches. Les caches dédiés et partagés ne donnent pas le même résultat. D'un côté, le cache partagé fait que toute la mémoire cache est dédiée au cache partagé, qui est très gros. De l'autre, on doit répartir la capacité du cache entre plusieurs caches séparés, individuellement plus petits. En conséquence, on a le choix entre un petit cache pour chaque processeur ou un gros cache partagé. Le choix entre les deux n'est pas simple, mais doit tenir compte du fait que les programmes exécutés sur les cœurs n'ont pas les mêmes besoins. Certains programmes sont plus gourmands et demandent beaucoup de cache, alors que d'autres utilisent peu la mémoire cache. Avec un cache dédié, tous les programmes ont accès à la même quantité de cache, car les caches des différents cœurs sont de la même taille. Les caches dédiés étant assez petits, les programmes plus gourmands devront se débrouiller avec un petit cache, alors que les autres programmes auront du cache en trop. À l'opposé, un cache partagé répartit le cache de manière optimale : un programme gourmand peut utiliser autant de cache qu'il veut, laissant juste ce qu'il faut aux programmes moins gourmands. le cache peut être répartit plus facilement selon les besoins des différents programmes. [[File:Cache partagé contre cache dédié.png|centre|vignette|upright=2.5|Cache partagé contre cache dédié]] Un autre avantage des caches partagés est quand plusieurs cœurs accèdent aux même données. C'est un cas très courant, souvent lié à l'usage de mémoire partagé ou de ''threads''. Avec des caches dédiés, chaque cœur a une copie des données partagées. Mais avec un cache partagé, il n'y a qu'une seule copie de chaque donnée, ce qui utilise moins de mémoire cache. Imaginons que l'on sait 8 caches dédiés de 8 Kibioctets, soit 64 kibioctets au total, comparé à un cache partagé de même capacité totale. Les doublons dans les caches dédiés réduiront la capacité mémoire utile, effective, comparé à un cache partagé. S'il y a 1 Kibioctet de mémoire partagé, 8 kibioctets seront utilisés pour stocker ces données en doublons, seulement 1 kibioctet sur un cache partagé. Ajoutons aussi que la cohérence des caches est grandement simplifiée avec l'usage d'un cache partagé, vu que les données ne sont pas dupliquées dans plusieurs caches. Mais le partage du cache peut se transformer en inconvénient si les programmes entrent en compétition pour le cache, que ce soit pour y placer des données ou pour les accès mémoire. Deux programmes peuvent vouloir accéder au cache en même temps, voire carrément se marcher sur les pieds. La résolution des conflits d'accès au cache est résolu soit en prenant un cache multiport, avec un port dédié par cœur, soit par des mécanismes d'arbitrages avec des circuits dédiés. Le revers de la médaille tient au temps de latence. Plus un cache est gros, plus il est lent. En conséquence, des caches dédiés seront plus rapides qu'un gros cache partagé plus lent. ===Le partage des caches adapté à une hiérarchie de caches=== Dans la réalité, un processeur multicœur ne contient pas qu'un seul cache, mais une hiérarchie de caches avec des caches L1, L2 et L3, parfois L4. Dans cette hiérarchie, certains caches sont partagés entre plusieurs cœurs, les autres sont dédiés. Le cache L1 n'est jamais partagé, car il doit avoir un temps d'accès très faible. Pour les autres caches, tout dépend du processeur. [[File:Dual Core Generic.svg|vignette|Cache L2 partagé.]] Les premiers processeurs multicœurs commerciaux utilisaient deux niveaux de cache : des caches L1 dédiés et un cache L2 partagé. Le cache L2 partagé était relié aux caches L1, grâce à un système assez complexe d'interconnexions. Le cache de niveau L2 était souvent simple port, car les caches L1 se chargent de filtrer les accès aux caches de niveau inférieurs. Les processeurs multicœurs modernes ont des caches L3 et même L4, de grande capacité, ce qui a modifié le partage des caches. Le cache de dernier niveau, à savoir le cache le plus proche de la mémoire, est systématiquement partagé, car son rôle est d'être un cache lent mais gros. Il s'agit le plus souvent d'un cache de L3, plus rarement L4. Sur certains processeurs multicœurs, le cache de dernier niveau n'est techniquement pas dans le cœur, mais fait partie d'un ensemble de circuits reliés, comme le contrôleur mémoire ou l'interface mémoire. Il fonctionne à une fréquence différente du processeur, n'a pas la même tension d'alimentation, etc. Le cas du cache L2 dépend des architectures : il est partagé sur certains processeurs, dédié sur d'autres. Mais sur les processeurs modernes, c'est un cache dédié soit par cœur, soit pour un groupe de cœurs. Dans le cas le plus courant, chaque cache L2 est partagé entre plusieurs cœurs mais pas à tous. En effet, on peut limiter le partage du cache à quelques cœurs particuliers pour des raisons de performances. [[File:Partage des caches sur un processeur multicoeurs.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur multicœur.]] D'autres processeurs ont des caches L2 dédiés. Il s'agit surtout des processeurs multicœurs anciens, parmi les premières générations de processeurs multicœurs. Un exemple est celui de la microarchitecture Nehalem d'Intel. Il avait des caches L1 et L2 dédiés, mais un cache L3 partagé. [[File:Nehalem EP.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur Intel d'architecture Nehalem.]] ===Les caches partagés centralisés et distribués=== Un point important est que quand on parle de cache partagé ou de cache dédié, on ne parle que de la manière dont les cœurs peuvent accéder au cache, pas de la manière dont le caches est réellement localisé sur la puce. En théorie, qui dit plusieurs caches dédiés signifie que l'on a vraiment plusieurs caches séparés sur la puce. Et chaque cache dédié est proche du cœur qui lui est attribué. Et pour les caches partagés unique, une portion de la puce de silicium contient le cache, que cette portion est un énorme bloc de transistors. Il est généralement placé au milieu de la puce ou sur un côté, histoire de facilement le connecter à tous les cœurs. Mais pour les caches séparés, ce n'est pas toujours le cas. Avoir un cache énorme poserait des problèmes sur les architectures avec beaucoup de cœurs. En réalité, le cache est souvent découpé en plusieurs banques, reliées à un contrôleur du cache par un système d'interconnexion assez complexe. Les banques sont physiquement séparées, et il arrive qu'elles soient placées proche d'un cœur chacune. L'organisation des banques ressemble beaucoup à l'organisation des caches dédiés, avec une banque étant l'équivalent d'un cache dédié. La différence est que les cœurs peuvent lire et écrire dans toutes les banques, grâce au système d'interconnexion et au contrôleur de cache. Tel était le cas sur les processeurs AMD Jaguar. Ils avaient un cache L2 de 2 mébioctets, partagés entre tous les cœurs, qui était composé de 4 banques de 512 Kibioctets. Les quatre banques du cache étaient reliées aux 4 cœurs par un réseaux d'interconnexion assez complexe. [[File:AMDJaguarModule.png|centre|vignette|upright=2|AMD Jaguar Module]] La différence entre les deux solutions pour les caches partagés porte le nom de cache centralisés versus distribués. Un gros cache unique sur la puce est un '''cache centralisé''', et c'est généralement un cache partagé. Mais un cache composé de plusieurs banques dispersées sur la puce est un '''cache distribué''', qui peut être aussi bien dédié que partagé. ===Les caches virtualisés=== Il faut noter que quelques processeurs utilisent cette technique pour fusionnent le cache L2 et le cache L3. Par exemple, les processeurs IBM Telum utilisent des caches L3 virtualisés, dans leurs versions récentes. Le processeur Telum 2 contient 10 caches L2 de 36 mébioctets chacun, soit 360 mébioctets de cache. L'idée est que ces 360 mébioctets sont partagés à la demande entre cache L2 dédié et cache L3. On parle alors de '''cache virtualisé'''. Un cache de 36 mébioctet est associé à un cœur, auquel il est directement relié. Les cœurs n'utilisent pas tous leur cache dédié à 100% Il arrive que des cœurs aient des caches partiellement vides, alors que d'autres on un cache qui déborde. L'idée est que si un cœur a un cache plein, les données évincées du cache L2 privé sont déplacées dans le cache L2 d'un autre cœur, qui lui est partiellement vide. Le cache L2 en question est alors partitionné en deux : une portion pour les données associée à son cœur, une portion pour les données des L2 des autres cœurs. Pour que la technique fonctionne, le processeur mesure le remplissage de chaque cache L2. De plus, il faut gérer la politique de remplacement des lignes de cache. Une ligne de cache évincée du cache doit être déplacé dans un autre L2, pas dans les niveaux de cache inférieur, ni dans la mémoire. Du moins, tant qu'il reste de la place dans le cache L3. De plus, une lecture/écriture dans le cache L3 demande de localiser le cache L2 contenant la donnée. Pour cela, les caches L2 sont tous consultés lors d'un accès au L3, c'est la solution la plus simple, elle marche très bien si le taux de défaut du cache L2 est faible. Une telle optimisation ressemble beaucoup à un cache L2/L3 distribué, mais il y a quelques différences qui sont décrites dans le paragraphe précédent. Avec un L2 distribué, tout accès au L2 déclencherait une consultation de toutes les banques du L2. Avec un cache L3 virtualisé, ce n'est pas le cas. Le cache L2 associé au cœur est consulté, et c'est seulement en cas de défaut de cache que les autres caches L2 sont consultés. De plus, avec un cache L2 distribué, il n'y a pas de déplacement d'une ligne de cache entre deux banques, entre deux caches L2 physiques. Alors qu'avec un cache L3 virtualisé, c'est le cas en cas de remplacement d'une ligne de cache dans le cache L2. Sur le processeur Telum 1, le partage du cache L2 est assez simple. Un cache L2 fait 32 mébioctets et est découpé en deux banques de 16 mébioctets. En temps normal, les premiers 16 mébioctets sont toujours associé au cache L2, au cœur associé. Les 16 mébioctets restants peuvent soit être attribués au cache L3, soit fusionnés avec les 16 premiers mébioctets. Dans le cas où le cœur associé est en veille, n'est absolument pas utilisé, les 32 mébioctets sont attribués au cache L3. Un partage assez simple, donc. Le partage du cache L2/L3 sur les processeurs Telum 2 n'est pas connu, il est supposé être plus flexible. ==Le réseau d'interconnexion entre cœurs== Les CPU multicœurs connectent plusieurs cœurs entre eux, tout comme les systèmes multi-processeurs connectent plusieurs processeurs entre eux. Mais les transferts de données entre cœurs se font par l'intermédiaire des caches, ce qui fait que l'implémentation est différente de celle utilisée sur les systèmes multi-processeurs. Les standards pour les interconnexions entre coeurs sont assez proches de ceux utilisés pour interconnecter des processeurs, mais les standards utilisés ne sont pas les mêmes en pratique. Là encore, les cœurs sont connectés entre eux soit par un bus, soit par un réseau d'interconnexion. ===Le bus partagé entre plusieurs cœurs=== Une solution simple relie les cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Le cas le plus simple est celui où chaque cœur dispose de caches dédiés, qui sont alors tous reliés au bus mémoire, qui sert d'intermédiaire. Mais l'idée doit être adaptée sur les processeurs multicœurs avec des caches partagés. Voyons d'abord le cas d'un CPU avec deux niveaux de cache, dont un cache L2 est partagé entre tous les cœurs. Les caches L1 sont reliés au cache L2 partagé par un bus, qui n'a souvent pas de nom. Nous désignerons le bus entre le cache L1 et le cache L2 : '''bus partagé''', sous-entendu partagé entre tous les caches. C'est lui qui sert à connecter les cœurs entre eux. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2]] Un processeur multicœur typique a une architecture avec trois niveaux de cache (L1, L2 et L3), avec un niveau L1 dédié par cœur, un niveau L2 partiellement partagé et un L3 totalement partagé. Le bus partagé est alors difficile à décrire, mais il correspond à l'ensemble des bus qui connectent les caches L1 aux caches L2, et les caches L2 au cache L3. Il s'agit alors d'un ensemble de bus, plus que d'un bus partagé unique. L'usage d'un bus partagé a cependant de nombreux défauts dont nous parlerons en détail du bus partagé dans le chapitre sur la cohérence des caches. ===Le réseau d'interconnexion entre plusieurs cœurs=== Relier plusieurs cœurs avec des bus pose de nombreux problèmes techniques qui sont d'autant plus problématiques que le nombre de cœurs augmente. Le câblage est notamment très complexe, les contraintes électriques pour la transmission des signaux sont beaucoup plus fortes, les problèmes d'arbitrages se font plus fréquents, etc. Pour régler ces problèmes, les processeurs multicoeurs n'utilisent pas de bus partagé, mais un réseau d'interconnexion plus complexe. Le réseau d'interconnexion peut être très complexe, avec des connexions réseau, des commutateurs, et des protocoles d'échanges entre processeurs assez complexes basés sur du passage de messages. De telles puces utilisent un '''réseau sur puce''' (''network on chip''). Mais d'autres simplifient le réseau d'interconnexion, qui se résume à un réseau ''crossbar'', voire à des mémoires FIFO pour faire l'interface entre les cœurs. Le problème principal des réseaux sur puce est que les mémoires FIFOs sont difficiles à implémenter sur une puce de silicium. Elles prennent beaucoup de place, utilisent beaucoup de portes logiques, consomment beaucoup d'énergie, sont difficiles à concevoir pour diverses raisons (les accès concurrents/simultanés sont fréquents et font mauvais ménage avec les ''timings'' serrés de quelques cycles d'horloges requis). Il est donc impossible de placer beaucoup de mémoires FIFO dans un processeur, ce qui fait que les commutateur sont réduits à leur strict minimum : un réseau d'interconnexion, un système d'arbitrage simple parfois sans aucune FIFO, guère plus. ===Les architectures en ''tile''=== Un cas particulier de réseau sur puce est celui des '''architectures en ''tile''''', des architectures avec un grand nombre de cœurs, connectés les unes aux autres par un réseau d'interconnexion "rectangulaire". Chaque cœur est associé à un commutateur (''switch'') qui le connecte au réseau d'interconnexion, l'ensemble formant une ''tile''. [[File:Tile64-Tile.svg|centre|vignette|upright=1.5|''Tile'' de base du Tile64.]] Le réseau est souvent organisé en tableau, chaque ''tile'' étant connectée à plusieurs voisines. Dans le cas le plus fréquent, chaque ''tile'' est connectée à quatre voisines : celle du dessus, celle du dessous, celle de gauche et celle de droite. Précisons que cette architecture n'est pas une architecture distribuée dont tous les processeurs seraient placés sur la même puce de silicium. En effet, la comparaison ne marche pas pour ce qui est de la mémoire : tous les cœurs accèdent à une mémoire partagée située en dehors de la puce de silicium. Le réseau ne connecte pas plusieurs ordinateurs séparés avec chacun leur propre mémoire, mais plusieurs cœurs qui accèdent à une mémoire partagée. Un bon exemple d'architecture en ''tile'' serait les déclinaisons de l'architecture Tilera. Les schémas du-dessous montrent l'architecture du processeur Tile 64. Outre les ''tiles'', qui sont les éléments de calcul de l'architecture, on trouve plusieurs contrôleurs mémoire DDR, divers interfaces réseau, des interfaces série et parallèles, et d'autres entrées-sorties. [[File:Tile64.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture Tile64 du Tilera.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=Les architectures parallèles | prevText=Les architectures parallèles | next=Architectures multithreadées et Hyperthreading | nextText=Architectures multithreadées et Hyperthreading }} </noinclude> mylg17p7brnfgs5kqfp0k3jal9hj3yx 762430 762429 2026-03-28T14:14:42Z Mewtow 31375 /* Les systèmes multiprocesseur */ 762430 wikitext text/x-wiki Pour réellement tirer parti du parallélisme de taches, rien ne vaut l'utilisation de plusieurs processeurs et/ou de plusieurs ordinateurs, qui exécutent chacun un ou plusieurs programmes dans leur coin. Si utiliser plusieurs ordinateurs connectés par un réseau local est une solution simple et facile à implémenter, elle est cependant assez onéreuse et demande des logiciels adaptés qui permettent de profiter d'une telle architecture matérielle. D'autres solutions multiprocesseurs ont alors vu le jour pour rendre l'usage de plusieurs processeurs plus adéquat. ==Les systèmes multiprocesseur== Les '''systèmes multiprocesseur''' placent plusieurs processeurs sur la même carte mère. Ils sont courants dans les serveurs ou les ''data centers'', mais sont beaucoup plus rares pour les ordinateurs grand public. Il y a eu quelques systèmes multiprocesseur vendus au grand public dans les années 2000, certaines cartes mères avaient deux sockets pour mettre deux processeurs. Mais les logiciels et les systèmes d'exploitation grand public n'étaient pas adaptés pour, la demande pour des ordinateurs multiprocesseurs était limitée à quelques professionnels et ne justifiait pas un investissement majeur dans ces technologies. Au final, le gain était assez faible en terme de performance, peu de logiciels grand public profitaient de l'usage de plusieurs processeurs, la technologie est restée confidentielle. Du moins, avant l'arrivée des processeurs multicœur, après 2005. ===Le réseau d'interconnexion inter-processeur=== Les cartes mères multi-processeurs incorporent un réseau d'interconnexion pour connecter les processeurs à la mémoire RAM, au reste de l'ordinateur, et aussi pour les connecter entre eux. Il s'agit d'un '''réseau d'interconnexion inter-processeur''', placé sur la carte mère. Les processeurs sont tous connectés en utilisant deux solutions : soit avec un bus partagé, soit avec un réseau d'interconnexion très complexe. Une solution simple relie les processeurs/cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Et suivant que l'on parle de systèmes multi-processeurs ou multicœurs, le bus qui est partagé n'est pas le même. Le cas le plus simple est celui d'une architecture multi-processeurs. Les processeurs sont alors tous reliés à la mémoire RAM à travers le bus mémoire. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multiprocesseurs à bus partagé]] De nos jours, les cartes mères pour serveur n'utilisent plus de bus partagé, mais utilisent un réseau d'interconnexion plus élaboré. Le réseau en question est un vrai réseau, qui peut être un réseau en anneau, un réseau crossbar, un réseau routé, etc. Le réseau d'interconnexion relie entre eux les cœurs, l'interface avec la mémoire RAM, le cache partagé L3/L4, mais aussi le bus PCI-Express, le GPU et quelques autres circuits séparés. [[File:Architecture multicoeurs et réseau sur puce.png|centre|vignette|upright=1.5|Architecture multicoeurs et réseau sur puce]] Les systèmes multi-processeurs modernes utilisent des réseaux d'interconnexion standardisés, les standards les plus communs étant l'HyperTransport, l'Intel QuickPath Interconnect, l'IBM Elastic Interface, le Intel Ultra Path Interconnect, l'Infinity Fabric, etc. Ils remplacent le fameux ''front-side bus'' des tout premiers processeurs multicœurs. Un exemple de réseau d'interconnexion est celui des architectures AMD EPYC, de microarchitecture Zen 1. Elles utilisaient des chiplets, à savoir que le processeur était composé de plusieurs puces interconnectées entre elles. Chaque puce contenait un processeur multicoeurs intégrant un cache L3, avec un réseau d'interconnexion interne au processeur sans doute basé sur un ensemble de bus. De plus, les puces étaient reliées à une puce d'interconnexion qui servait à la fois d'interface entre les processeurs, mais aussi d'interface avec la R1AM, le bus PCI-Express, etc. La puce d'interconnexion était gravée en 14 nm contre 7nm pour les chiplets des cœurs. {| |[[File:AMD Epyc 7702 delidded.jpg|centre|vignette|upright=2|AMD Epyc 7702.]] |[[File:AMD Epyc Rome Aufbau.png|centre|vignette|upright=2|Schéma fonctionnel de l'AMD Epyc.]] |} ===Les interruptions inter-processeurs=== Les différents processeurs sont gérés par le système d'exploitation de l'ordinateur, avec l'aide d''''interruptions inter-processeurs''', des interruptions déclenchées sur un processeur et exécutées sur un autre, éventuellement par tous les autres pour certaines interruptions spécifiques. Pour générer des interruptions inter-processeur, le contrôleur d'interruption doit pouvoir rediriger des interruptions déclenchées par un processeur vers un autre. Un exemple d'implémentation très simple est celui de la console Néo-géo, qui contenait deux processeurs. Le premier est un Motorola 68000 qui sert de processeur principal, l'autre est un Z80 qui sert de processeur dédié à l'audio. Le Z80 commande un synthétiseur sonore, et est relié à sa propre mémoire, distincte de la mémoire principale. Le MC68000 est le processeur principal et a une relation maitre-esclave avec le Z80 : le MC68000 envoie des interruptions au Z80, mais la communication ne va pas dans l'autre sens. Les deux processeurs communiquent via l'intermédiaire d'un '''''IO arbiter chip''''', un circuit sur la carte mère connecté au bus, qui gère les interruptions inter-processeur. Il contient un registre de 8 bits, dans lequel le MC68000 peut écrire dedans à sa guise, le registre étant adressable par le processeur. Les valeurs écrites dans ce registre sont des numéros d'interruption, qui indiquent quelle routine d'interruption exécuter. Lorsque le MC68000 écrit une valeur dedans, cela déclenche l’exécution automatique d'une interruption sur le Z80. Le code de 8 bits est envoyé au processeur Z80, en parallèle de l'interruption. : Il est possible de voir ce ''IO arbiter chip'' comme un contrôleur d'interruptions spécialisé dans les interruptions inter-processeur. Les anciens PC incorporaient sur leur carte mère un contrôleur d'interruption créé par Intel, le 8259A, qui ne gérait pas les interruptions inter-processeurs. Les cartes mères multiprocesseurs devaient incorporer un contrôleur spécial en complément. De nos jours, chaque cœur x86 possède son propre contrôleur d’interruption, le local APIC, qui gère les interruptions en provenance ou arrivant vers ce processeur. On trouve aussi un IO-APIC, qui gère les interruptions en provenance des périphériques et de les redistribuer vers les APIC locaux. L'IO-APIC gère aussi les interruptions inter-processeurs en faisant passer les interruptions d'un local APIC vers un autre. Tous les APIC locaux et l'IO-APIC sont reliés ensembles par un bus APIC spécialisé, par lequel ils vont pouvoir communiquer et s'échanger des demandes d'interruptions. [[File:Contrôleurs d'interrptions sur systèmes x86 multicoeurs.png|centre|vignette|upright=1.5|Contrôleurs d’interruptions sur systèmes x86 multicœurs.]] On peut préciser le processeur de destination en configurant certains registres du IO-APIC, afin que celui-ci redirige la demande d'interruption d'un local APIC vers celui sélectionné. Cela se fait avec l'aide d'un registre de 64 bits nommé l'''Interrupt Command Register''. Pour simplifier le mécanisme complet, chaque processeur se voit attribuer un Id au démarrage qui permet de l'identifier (en fait, cet Id est attribué au local APIC de chaque processeur). Certains bits de ce registre permettent de préciser quel est le type de transfert : doit-on envoyer l'interruption au processeur émetteur, à tous les autres processeurs, à un processeur particulier. Dans le dernier cas, certains bits du registre permettent de préciser l'Id du processeur qui va devoir recevoir l'interruption. À charge de l'APIC de faire ce qu'il faut en fonction du contenu de ce registre. ==Les processeurs multicœurs== Puis, avec les progrès en matière de miniaturisation des processeurs, les fabricants ont eu l'idée d'utiliser les transistors qu'ils avaient pour fabriquer des '''processeurs multicœurs''', un terme que vous avez peut-être déjà entendu sans vraiment comprendre ce qu'il signifiait réellement. Les processeurs multicœurs peuvent être vus comme un regroupement de plusieurs processeurs sur la même puce de silicium. Pour être plus précis, ils contiennent plusieurs ''cœurs'', chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, que ce soit un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœurs, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. Dans ce qui suit, nous utiliserons le terme cœurs pour désigner soit les cœurs d'un processeur multicœurs, soit les différents processeurs d'un ordinateur multiprocesseur. Tout le contenu de ce chapitre vaut aussi bien pour les systèmes multicœurs que multiprocesseur. Les différences entre les deux sont mineures, les deux font face aux mêmes problèmes, les mêmes solutions peuvent s'appliquer sur les deux types de systèmes. ===Le multicœurs symétrique ou asymétrique=== Dans la grosse majorité des cas, les cœurs d'un processeur multicœurs sont tous identiques. Mais ce n'est certainement pas une obligation et on peut très bien mettre plusieurs cœurs assez différents sur la même puce. On peut par exemple utiliser un cœur principal avec des cœurs plus spécialisés autour. Il faut ainsi distinguer le '''multicœurs symétrique''', dans lequel on place des processeurs identiques sur la même puce de silicium, du '''multicœurs asymétrique''' où les cœurs ne sont pas identiques. Un exemple est celui du processeur CELL de la console de jeu PS3. Il intègre un cœur principal POWER PC v5 et 8 coeurs qui servent de processeurs auxiliaires. Le processeur principal est appelé le PPE et les processeurs auxiliaires sont les SPE. Les SPE sont reliés à une mémoire locale (''local store'') de 256 kibioctets qui communique avec le processeur principal via un bus spécial. Les SPE communiquent avec la RAM principale via des contrôleurs DMA. Les SPE possèdent des instructions permettant de commander leur contrôleur DMA et c'est le seul moyen qu'ils ont pour récupérer des informations depuis la mémoire. Et c'est au programmeur de gérer tout ça ! C'est le processeur principal qui va envoyer aux SPE les programmes qu'ils doivent exécuter. Il délègue des calculs aux SPE en écrivant dans le local store du SPE et en lui ordonnant l’exécution du programme qu'il vient d'écrire. [[File:Schema Cell.png|centre|vignette|upright=2|Architecture du processeur CELL de la PS3. Le PPE est le processeur principal, les SPE sont des processeurs auxiliaires qui comprennent : un ''local store'' noté LS, un processeur noté SXU, et un contrôleur DMA pour échanger des informations avec la mémoire principale.]] ===Les architectures à cœurs conjoints=== Sur certains processeurs multicœurs, certains circuits sont partagés entre plusieurs cœurs. Typiquement, l'unité de calcul flottante est partagée entre deux coeurs/''threads'', les unités SIMD qu'on verra dans quelques chapitres sont aussi dans ce cas. Le partage de circuits permet d'éviter de dupliquer trop de circuits et donc d'économiser des transistors. Le problème est que ce partage est source de dépendances structurelles, ce qui peut entraîner des pertes de performances. Cette technique consistant de partage d'unités de calcul entre coeurs s'appelle le '''cluster multithreading''', ou encore les '''architectures à cœurs conjoints''' (''Conjoined Core Architectures''). Elle est notamment utilisée sur les processeurs AMD de microarchitecture Bulldozer, incluant ses trois révisions ultérieures nommées Piledriver, Steamroller et Excavator. Un exemple est celui des processeurs AMD FX-8150 et FX-8120. Sur ces processeurs, les instructions sont chargées dans deux files d'instructions séparées, une par ''thread'' matériel. Les instructions sont ensuite décodées par un décodeur unique et renommées dans une unité de renommage unique. Par la suite, il y a deux voies entières séparées et une voie flottante partagée. Chaque voie entière a sa propre fenêtre d'instruction entière, son tampon de ré-ordonnancement, ses unités de calcul dédiées, ses registres, sa ''load-store queue'', son cache L1. Par contre, la voie flottante partage les unités de calcul flottantes et n'a qu'une seule fenêtre d'instruction partagée par les deux ''threads''. [[File:AMD Bulldozer microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Bulldozer d'AMD.]] La révision Steamroller sépara le ''front-end'' en deux voies distinctes, une par ''thread''. Concrètement, elle ajouta un second décodeur d'instruction, une seconde file de micro-opération et une seconde unité de renommage de registres, afin d'améliorer les performances. Niveaux optimisations mineures, les stations de réservation ont été augmentées, elles peuvent mémoriser plus de micro-opérations, idem pour les bancs de registre et les files de lecture/écriture. Un cache de micro-opérations a été ajouté, de même que des optimisations quant au renommage de registre. Des ALU ont aussi été ajoutées, des FPU retirées. [[File:AMD excavator microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Excavator d'AMD.]] ===Les architectures ''many core''=== Les architectures ''many core'' ont un très grand nombre de cœurs, plus d'une cinquantaine, voire plusieurs centaines ou milliers. La différence est surtout une question de degré, mais aussi de but recherché. Les architectures multicœurs sont surtout conçues pour les ordinateurs personnels, éventuellement les serveurs. Elles recherchent un bon compromis entre un grand nombre de cœurs, et une bonne performance pour les programmes non-parallèles. En clair, elles évitent de sacrifier les performances pour les applications non-parallèles, ce qui fait que leurs cœurs sont généralement très puissants, avec beaucoup d'optimisations micro-architecturales. Les architectures ''many core'' font le compromis inverse : elles ont beaucoup de cœurs, mais ceux-ci ne sont pas très puissants, surtout pour les applications non-parallèles. Les cœurs des architectures ''many core'' sont généralement des cœurs sans exécution dans le désordre, sans prédiction de branchements, sans renommage de registres, voire sans pipeline ni parallélisme d'instruction. ==Le partage des caches== Quand on conçoit un processeur multicœur, il ne faut pas oublier ce qui arrive à la pièce maîtresse de tout processeur actuel : le cache ! Pour le moment nous allons oublier le fait que les processeurs ont une hiérarchie de caches, avec des caches L1, L2, L3 et autres. Nous allons partir du principe qu'un processeur simple cœur a un seul cache, et voir comment adapter le cache à la présence de plusieurs cœurs. Nous allons rapidement lever cette hypothèse, pour étudier le cas où un processeur multicœur a une hiérarchie de caches, mais seulement après avoir vu le cas le plus simple à un seul cache. ===Le partage des caches sans hiérarchie de caches : caches dédiés et partagés=== Avec un seul niveau de cache, sans hiérarchie, deux solutions sont possibles. La première consiste à garder un seul cache, et de le partager entre les cœurs. L'autre solution est de dupliquer le cache et d'utiliser un cache par cœur. Les deux solutions sont appelées différemment. On parle de '''caches dédiés''' si chaque cœur possède son propre cache, et de '''cache partagé''' avec un cache partagé entre tous les cœurs. Ces deux méthodes ont des inconvénients et des avantages. {| |[[File:Caches dédiés.png|vignette|Caches dédiés]] |[[File:Caches partagés.png|vignette|Cache partagé]] |} Le premier point sur lequel comparer caches dédiés et partagés est celui de la capacité du cache. La quantité de mémoire cache que l'on peut placer dans un processeur est limitée, car le cache prend beaucoup de place, près de la moitié des circuits du processeur. Aussi, un processeur incorpore une certaine quantité de mémoire cache, qu'il faut répartir entre un ou plusieurs caches. Les caches dédiés et partagés ne donnent pas le même résultat. D'un côté, le cache partagé fait que toute la mémoire cache est dédiée au cache partagé, qui est très gros. De l'autre, on doit répartir la capacité du cache entre plusieurs caches séparés, individuellement plus petits. En conséquence, on a le choix entre un petit cache pour chaque processeur ou un gros cache partagé. Le choix entre les deux n'est pas simple, mais doit tenir compte du fait que les programmes exécutés sur les cœurs n'ont pas les mêmes besoins. Certains programmes sont plus gourmands et demandent beaucoup de cache, alors que d'autres utilisent peu la mémoire cache. Avec un cache dédié, tous les programmes ont accès à la même quantité de cache, car les caches des différents cœurs sont de la même taille. Les caches dédiés étant assez petits, les programmes plus gourmands devront se débrouiller avec un petit cache, alors que les autres programmes auront du cache en trop. À l'opposé, un cache partagé répartit le cache de manière optimale : un programme gourmand peut utiliser autant de cache qu'il veut, laissant juste ce qu'il faut aux programmes moins gourmands. le cache peut être répartit plus facilement selon les besoins des différents programmes. [[File:Cache partagé contre cache dédié.png|centre|vignette|upright=2.5|Cache partagé contre cache dédié]] Un autre avantage des caches partagés est quand plusieurs cœurs accèdent aux même données. C'est un cas très courant, souvent lié à l'usage de mémoire partagé ou de ''threads''. Avec des caches dédiés, chaque cœur a une copie des données partagées. Mais avec un cache partagé, il n'y a qu'une seule copie de chaque donnée, ce qui utilise moins de mémoire cache. Imaginons que l'on sait 8 caches dédiés de 8 Kibioctets, soit 64 kibioctets au total, comparé à un cache partagé de même capacité totale. Les doublons dans les caches dédiés réduiront la capacité mémoire utile, effective, comparé à un cache partagé. S'il y a 1 Kibioctet de mémoire partagé, 8 kibioctets seront utilisés pour stocker ces données en doublons, seulement 1 kibioctet sur un cache partagé. Ajoutons aussi que la cohérence des caches est grandement simplifiée avec l'usage d'un cache partagé, vu que les données ne sont pas dupliquées dans plusieurs caches. Mais le partage du cache peut se transformer en inconvénient si les programmes entrent en compétition pour le cache, que ce soit pour y placer des données ou pour les accès mémoire. Deux programmes peuvent vouloir accéder au cache en même temps, voire carrément se marcher sur les pieds. La résolution des conflits d'accès au cache est résolu soit en prenant un cache multiport, avec un port dédié par cœur, soit par des mécanismes d'arbitrages avec des circuits dédiés. Le revers de la médaille tient au temps de latence. Plus un cache est gros, plus il est lent. En conséquence, des caches dédiés seront plus rapides qu'un gros cache partagé plus lent. ===Le partage des caches adapté à une hiérarchie de caches=== Dans la réalité, un processeur multicœur ne contient pas qu'un seul cache, mais une hiérarchie de caches avec des caches L1, L2 et L3, parfois L4. Dans cette hiérarchie, certains caches sont partagés entre plusieurs cœurs, les autres sont dédiés. Le cache L1 n'est jamais partagé, car il doit avoir un temps d'accès très faible. Pour les autres caches, tout dépend du processeur. [[File:Dual Core Generic.svg|vignette|Cache L2 partagé.]] Les premiers processeurs multicœurs commerciaux utilisaient deux niveaux de cache : des caches L1 dédiés et un cache L2 partagé. Le cache L2 partagé était relié aux caches L1, grâce à un système assez complexe d'interconnexions. Le cache de niveau L2 était souvent simple port, car les caches L1 se chargent de filtrer les accès aux caches de niveau inférieurs. Les processeurs multicœurs modernes ont des caches L3 et même L4, de grande capacité, ce qui a modifié le partage des caches. Le cache de dernier niveau, à savoir le cache le plus proche de la mémoire, est systématiquement partagé, car son rôle est d'être un cache lent mais gros. Il s'agit le plus souvent d'un cache de L3, plus rarement L4. Sur certains processeurs multicœurs, le cache de dernier niveau n'est techniquement pas dans le cœur, mais fait partie d'un ensemble de circuits reliés, comme le contrôleur mémoire ou l'interface mémoire. Il fonctionne à une fréquence différente du processeur, n'a pas la même tension d'alimentation, etc. Le cas du cache L2 dépend des architectures : il est partagé sur certains processeurs, dédié sur d'autres. Mais sur les processeurs modernes, c'est un cache dédié soit par cœur, soit pour un groupe de cœurs. Dans le cas le plus courant, chaque cache L2 est partagé entre plusieurs cœurs mais pas à tous. En effet, on peut limiter le partage du cache à quelques cœurs particuliers pour des raisons de performances. [[File:Partage des caches sur un processeur multicoeurs.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur multicœur.]] D'autres processeurs ont des caches L2 dédiés. Il s'agit surtout des processeurs multicœurs anciens, parmi les premières générations de processeurs multicœurs. Un exemple est celui de la microarchitecture Nehalem d'Intel. Il avait des caches L1 et L2 dédiés, mais un cache L3 partagé. [[File:Nehalem EP.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur Intel d'architecture Nehalem.]] ===Les caches partagés centralisés et distribués=== Un point important est que quand on parle de cache partagé ou de cache dédié, on ne parle que de la manière dont les cœurs peuvent accéder au cache, pas de la manière dont le caches est réellement localisé sur la puce. En théorie, qui dit plusieurs caches dédiés signifie que l'on a vraiment plusieurs caches séparés sur la puce. Et chaque cache dédié est proche du cœur qui lui est attribué. Et pour les caches partagés unique, une portion de la puce de silicium contient le cache, que cette portion est un énorme bloc de transistors. Il est généralement placé au milieu de la puce ou sur un côté, histoire de facilement le connecter à tous les cœurs. Mais pour les caches séparés, ce n'est pas toujours le cas. Avoir un cache énorme poserait des problèmes sur les architectures avec beaucoup de cœurs. En réalité, le cache est souvent découpé en plusieurs banques, reliées à un contrôleur du cache par un système d'interconnexion assez complexe. Les banques sont physiquement séparées, et il arrive qu'elles soient placées proche d'un cœur chacune. L'organisation des banques ressemble beaucoup à l'organisation des caches dédiés, avec une banque étant l'équivalent d'un cache dédié. La différence est que les cœurs peuvent lire et écrire dans toutes les banques, grâce au système d'interconnexion et au contrôleur de cache. Tel était le cas sur les processeurs AMD Jaguar. Ils avaient un cache L2 de 2 mébioctets, partagés entre tous les cœurs, qui était composé de 4 banques de 512 Kibioctets. Les quatre banques du cache étaient reliées aux 4 cœurs par un réseaux d'interconnexion assez complexe. [[File:AMDJaguarModule.png|centre|vignette|upright=2|AMD Jaguar Module]] La différence entre les deux solutions pour les caches partagés porte le nom de cache centralisés versus distribués. Un gros cache unique sur la puce est un '''cache centralisé''', et c'est généralement un cache partagé. Mais un cache composé de plusieurs banques dispersées sur la puce est un '''cache distribué''', qui peut être aussi bien dédié que partagé. ===Les caches virtualisés=== Il faut noter que quelques processeurs utilisent cette technique pour fusionnent le cache L2 et le cache L3. Par exemple, les processeurs IBM Telum utilisent des caches L3 virtualisés, dans leurs versions récentes. Le processeur Telum 2 contient 10 caches L2 de 36 mébioctets chacun, soit 360 mébioctets de cache. L'idée est que ces 360 mébioctets sont partagés à la demande entre cache L2 dédié et cache L3. On parle alors de '''cache virtualisé'''. Un cache de 36 mébioctet est associé à un cœur, auquel il est directement relié. Les cœurs n'utilisent pas tous leur cache dédié à 100% Il arrive que des cœurs aient des caches partiellement vides, alors que d'autres on un cache qui déborde. L'idée est que si un cœur a un cache plein, les données évincées du cache L2 privé sont déplacées dans le cache L2 d'un autre cœur, qui lui est partiellement vide. Le cache L2 en question est alors partitionné en deux : une portion pour les données associée à son cœur, une portion pour les données des L2 des autres cœurs. Pour que la technique fonctionne, le processeur mesure le remplissage de chaque cache L2. De plus, il faut gérer la politique de remplacement des lignes de cache. Une ligne de cache évincée du cache doit être déplacé dans un autre L2, pas dans les niveaux de cache inférieur, ni dans la mémoire. Du moins, tant qu'il reste de la place dans le cache L3. De plus, une lecture/écriture dans le cache L3 demande de localiser le cache L2 contenant la donnée. Pour cela, les caches L2 sont tous consultés lors d'un accès au L3, c'est la solution la plus simple, elle marche très bien si le taux de défaut du cache L2 est faible. Une telle optimisation ressemble beaucoup à un cache L2/L3 distribué, mais il y a quelques différences qui sont décrites dans le paragraphe précédent. Avec un L2 distribué, tout accès au L2 déclencherait une consultation de toutes les banques du L2. Avec un cache L3 virtualisé, ce n'est pas le cas. Le cache L2 associé au cœur est consulté, et c'est seulement en cas de défaut de cache que les autres caches L2 sont consultés. De plus, avec un cache L2 distribué, il n'y a pas de déplacement d'une ligne de cache entre deux banques, entre deux caches L2 physiques. Alors qu'avec un cache L3 virtualisé, c'est le cas en cas de remplacement d'une ligne de cache dans le cache L2. Sur le processeur Telum 1, le partage du cache L2 est assez simple. Un cache L2 fait 32 mébioctets et est découpé en deux banques de 16 mébioctets. En temps normal, les premiers 16 mébioctets sont toujours associé au cache L2, au cœur associé. Les 16 mébioctets restants peuvent soit être attribués au cache L3, soit fusionnés avec les 16 premiers mébioctets. Dans le cas où le cœur associé est en veille, n'est absolument pas utilisé, les 32 mébioctets sont attribués au cache L3. Un partage assez simple, donc. Le partage du cache L2/L3 sur les processeurs Telum 2 n'est pas connu, il est supposé être plus flexible. ==Le réseau d'interconnexion entre cœurs== Les CPU multicœurs connectent plusieurs cœurs entre eux, tout comme les systèmes multi-processeurs connectent plusieurs processeurs entre eux. Mais les transferts de données entre cœurs se font par l'intermédiaire des caches, ce qui fait que l'implémentation est différente de celle utilisée sur les systèmes multi-processeurs. Les standards pour les interconnexions entre coeurs sont assez proches de ceux utilisés pour interconnecter des processeurs, mais les standards utilisés ne sont pas les mêmes en pratique. Là encore, les cœurs sont connectés entre eux soit par un bus, soit par un réseau d'interconnexion. ===Le bus partagé entre plusieurs cœurs=== Une solution simple relie les cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Le cas le plus simple est celui où chaque cœur dispose de caches dédiés, qui sont alors tous reliés au bus mémoire, qui sert d'intermédiaire. Mais l'idée doit être adaptée sur les processeurs multicœurs avec des caches partagés. Voyons d'abord le cas d'un CPU avec deux niveaux de cache, dont un cache L2 est partagé entre tous les cœurs. Les caches L1 sont reliés au cache L2 partagé par un bus, qui n'a souvent pas de nom. Nous désignerons le bus entre le cache L1 et le cache L2 : '''bus partagé''', sous-entendu partagé entre tous les caches. C'est lui qui sert à connecter les cœurs entre eux. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2]] Un processeur multicœur typique a une architecture avec trois niveaux de cache (L1, L2 et L3), avec un niveau L1 dédié par cœur, un niveau L2 partiellement partagé et un L3 totalement partagé. Le bus partagé est alors difficile à décrire, mais il correspond à l'ensemble des bus qui connectent les caches L1 aux caches L2, et les caches L2 au cache L3. Il s'agit alors d'un ensemble de bus, plus que d'un bus partagé unique. L'usage d'un bus partagé a cependant de nombreux défauts dont nous parlerons en détail du bus partagé dans le chapitre sur la cohérence des caches. ===Le réseau d'interconnexion entre plusieurs cœurs=== Relier plusieurs cœurs avec des bus pose de nombreux problèmes techniques qui sont d'autant plus problématiques que le nombre de cœurs augmente. Le câblage est notamment très complexe, les contraintes électriques pour la transmission des signaux sont beaucoup plus fortes, les problèmes d'arbitrages se font plus fréquents, etc. Pour régler ces problèmes, les processeurs multicoeurs n'utilisent pas de bus partagé, mais un réseau d'interconnexion plus complexe. Le réseau d'interconnexion peut être très complexe, avec des connexions réseau, des commutateurs, et des protocoles d'échanges entre processeurs assez complexes basés sur du passage de messages. De telles puces utilisent un '''réseau sur puce''' (''network on chip''). Mais d'autres simplifient le réseau d'interconnexion, qui se résume à un réseau ''crossbar'', voire à des mémoires FIFO pour faire l'interface entre les cœurs. Le problème principal des réseaux sur puce est que les mémoires FIFOs sont difficiles à implémenter sur une puce de silicium. Elles prennent beaucoup de place, utilisent beaucoup de portes logiques, consomment beaucoup d'énergie, sont difficiles à concevoir pour diverses raisons (les accès concurrents/simultanés sont fréquents et font mauvais ménage avec les ''timings'' serrés de quelques cycles d'horloges requis). Il est donc impossible de placer beaucoup de mémoires FIFO dans un processeur, ce qui fait que les commutateur sont réduits à leur strict minimum : un réseau d'interconnexion, un système d'arbitrage simple parfois sans aucune FIFO, guère plus. ===Les architectures en ''tile''=== Un cas particulier de réseau sur puce est celui des '''architectures en ''tile''''', des architectures avec un grand nombre de cœurs, connectés les unes aux autres par un réseau d'interconnexion "rectangulaire". Chaque cœur est associé à un commutateur (''switch'') qui le connecte au réseau d'interconnexion, l'ensemble formant une ''tile''. [[File:Tile64-Tile.svg|centre|vignette|upright=1.5|''Tile'' de base du Tile64.]] Le réseau est souvent organisé en tableau, chaque ''tile'' étant connectée à plusieurs voisines. Dans le cas le plus fréquent, chaque ''tile'' est connectée à quatre voisines : celle du dessus, celle du dessous, celle de gauche et celle de droite. Précisons que cette architecture n'est pas une architecture distribuée dont tous les processeurs seraient placés sur la même puce de silicium. En effet, la comparaison ne marche pas pour ce qui est de la mémoire : tous les cœurs accèdent à une mémoire partagée située en dehors de la puce de silicium. Le réseau ne connecte pas plusieurs ordinateurs séparés avec chacun leur propre mémoire, mais plusieurs cœurs qui accèdent à une mémoire partagée. Un bon exemple d'architecture en ''tile'' serait les déclinaisons de l'architecture Tilera. Les schémas du-dessous montrent l'architecture du processeur Tile 64. Outre les ''tiles'', qui sont les éléments de calcul de l'architecture, on trouve plusieurs contrôleurs mémoire DDR, divers interfaces réseau, des interfaces série et parallèles, et d'autres entrées-sorties. [[File:Tile64.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture Tile64 du Tilera.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=Les architectures parallèles | prevText=Les architectures parallèles | next=Architectures multithreadées et Hyperthreading | nextText=Architectures multithreadées et Hyperthreading }} </noinclude> gf60vxsko4zpil52mwxzvrtzsnvqumq 762431 762430 2026-03-28T14:20:53Z Mewtow 31375 /* Le réseau d'interconnexion inter-processeur */ 762431 wikitext text/x-wiki Pour réellement tirer parti du parallélisme de taches, rien ne vaut l'utilisation de plusieurs processeurs et/ou de plusieurs ordinateurs, qui exécutent chacun un ou plusieurs programmes dans leur coin. Si utiliser plusieurs ordinateurs connectés par un réseau local est une solution simple et facile à implémenter, elle est cependant assez onéreuse et demande des logiciels adaptés qui permettent de profiter d'une telle architecture matérielle. D'autres solutions multiprocesseurs ont alors vu le jour pour rendre l'usage de plusieurs processeurs plus adéquat. ==Les systèmes multiprocesseur== Les '''systèmes multiprocesseur''' placent plusieurs processeurs sur la même carte mère. Ils sont courants dans les serveurs ou les ''data centers'', mais sont beaucoup plus rares pour les ordinateurs grand public. Il y a eu quelques systèmes multiprocesseur vendus au grand public dans les années 2000, certaines cartes mères avaient deux sockets pour mettre deux processeurs. Mais les logiciels et les systèmes d'exploitation grand public n'étaient pas adaptés pour, la demande pour des ordinateurs multiprocesseurs était limitée à quelques professionnels et ne justifiait pas un investissement majeur dans ces technologies. Au final, le gain était assez faible en terme de performance, peu de logiciels grand public profitaient de l'usage de plusieurs processeurs, la technologie est restée confidentielle. Du moins, avant l'arrivée des processeurs multicœur, après 2005. ===Le réseau d'interconnexion inter-processeur=== Les cartes mères multi-processeurs incorporent un réseau d'interconnexion pour connecter les processeurs à la mémoire RAM, au reste de l'ordinateur, et aussi pour les connecter entre eux. Il s'agit d'un '''réseau d'interconnexion inter-processeur''', placé sur la carte mère. Les processeurs sont tous connectés en utilisant deux solutions : soit avec un bus, soit avec un réseau d'interconnexion très complexe. Une solution simple relie les processeurs/cœurs entre eux grâce au bus mémoire. Le réseau d'interconnexion est donc un bus, partagé avec tous les processeurs. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multiprocesseurs à bus partagé]] Le bus mémoire est donc un '''bus partagé''', avec tout ce que cela implique. Les processeurs doivent se répartir l'accès au bus mémoire, il faut gérer le cas où deux processeurs accèdent au bus en même temps, etc. Pour cela, un composant dédié s'occupe de l'arbitrage entre processeurs. Il est généralement placé sur la carte mère de l'ordinateur, dans le ''chipset'', dans le pont nord, ou un endroit proche. [[File:Intel486 System Arbitration.png|centre|vignette|upright=2|Système avec deux Intel486 - Arbitrage du bus mémoire.]] De nos jours, les cartes mères pour serveur n'utilisent plus de bus partagé, mais utilisent un réseau d'interconnexion plus élaboré. Le réseau en question est un vrai réseau, qui peut être un réseau en anneau, un réseau crossbar, un réseau routé, etc. Le réseau d'interconnexion relie entre eux les cœurs, l'interface avec la mémoire RAM, le cache partagé L3/L4, mais aussi le bus PCI-Express, le GPU et quelques autres circuits séparés. [[File:Architecture multicoeurs et réseau sur puce.png|centre|vignette|upright=1.5|Architecture multicoeurs et réseau sur puce]] Les systèmes multi-processeurs modernes utilisent des réseaux d'interconnexion standardisés, les standards les plus communs étant l'HyperTransport, l'Intel QuickPath Interconnect, l'IBM Elastic Interface, le Intel Ultra Path Interconnect, l'Infinity Fabric, etc. Ils remplacent le fameux ''front-side bus'' des tout premiers processeurs multicœurs. Un exemple de réseau d'interconnexion est celui des architectures AMD EPYC, de microarchitecture Zen 1. Elles utilisaient des chiplets, à savoir que le processeur était composé de plusieurs puces interconnectées entre elles. Chaque puce contenait un processeur multicoeurs intégrant un cache L3, avec un réseau d'interconnexion interne au processeur sans doute basé sur un ensemble de bus. De plus, les puces étaient reliées à une puce d'interconnexion qui servait à la fois d'interface entre les processeurs, mais aussi d'interface avec la R1AM, le bus PCI-Express, etc. La puce d'interconnexion était gravée en 14 nm contre 7nm pour les chiplets des cœurs. {| |[[File:AMD Epyc 7702 delidded.jpg|centre|vignette|upright=2|AMD Epyc 7702.]] |[[File:AMD Epyc Rome Aufbau.png|centre|vignette|upright=2|Schéma fonctionnel de l'AMD Epyc.]] |} ===Les interruptions inter-processeurs=== Les différents processeurs sont gérés par le système d'exploitation de l'ordinateur, avec l'aide d''''interruptions inter-processeurs''', des interruptions déclenchées sur un processeur et exécutées sur un autre, éventuellement par tous les autres pour certaines interruptions spécifiques. Pour générer des interruptions inter-processeur, le contrôleur d'interruption doit pouvoir rediriger des interruptions déclenchées par un processeur vers un autre. Un exemple d'implémentation très simple est celui de la console Néo-géo, qui contenait deux processeurs. Le premier est un Motorola 68000 qui sert de processeur principal, l'autre est un Z80 qui sert de processeur dédié à l'audio. Le Z80 commande un synthétiseur sonore, et est relié à sa propre mémoire, distincte de la mémoire principale. Le MC68000 est le processeur principal et a une relation maitre-esclave avec le Z80 : le MC68000 envoie des interruptions au Z80, mais la communication ne va pas dans l'autre sens. Les deux processeurs communiquent via l'intermédiaire d'un '''''IO arbiter chip''''', un circuit sur la carte mère connecté au bus, qui gère les interruptions inter-processeur. Il contient un registre de 8 bits, dans lequel le MC68000 peut écrire dedans à sa guise, le registre étant adressable par le processeur. Les valeurs écrites dans ce registre sont des numéros d'interruption, qui indiquent quelle routine d'interruption exécuter. Lorsque le MC68000 écrit une valeur dedans, cela déclenche l’exécution automatique d'une interruption sur le Z80. Le code de 8 bits est envoyé au processeur Z80, en parallèle de l'interruption. : Il est possible de voir ce ''IO arbiter chip'' comme un contrôleur d'interruptions spécialisé dans les interruptions inter-processeur. Les anciens PC incorporaient sur leur carte mère un contrôleur d'interruption créé par Intel, le 8259A, qui ne gérait pas les interruptions inter-processeurs. Les cartes mères multiprocesseurs devaient incorporer un contrôleur spécial en complément. De nos jours, chaque cœur x86 possède son propre contrôleur d’interruption, le local APIC, qui gère les interruptions en provenance ou arrivant vers ce processeur. On trouve aussi un IO-APIC, qui gère les interruptions en provenance des périphériques et de les redistribuer vers les APIC locaux. L'IO-APIC gère aussi les interruptions inter-processeurs en faisant passer les interruptions d'un local APIC vers un autre. Tous les APIC locaux et l'IO-APIC sont reliés ensembles par un bus APIC spécialisé, par lequel ils vont pouvoir communiquer et s'échanger des demandes d'interruptions. [[File:Contrôleurs d'interrptions sur systèmes x86 multicoeurs.png|centre|vignette|upright=1.5|Contrôleurs d’interruptions sur systèmes x86 multicœurs.]] On peut préciser le processeur de destination en configurant certains registres du IO-APIC, afin que celui-ci redirige la demande d'interruption d'un local APIC vers celui sélectionné. Cela se fait avec l'aide d'un registre de 64 bits nommé l'''Interrupt Command Register''. Pour simplifier le mécanisme complet, chaque processeur se voit attribuer un Id au démarrage qui permet de l'identifier (en fait, cet Id est attribué au local APIC de chaque processeur). Certains bits de ce registre permettent de préciser quel est le type de transfert : doit-on envoyer l'interruption au processeur émetteur, à tous les autres processeurs, à un processeur particulier. Dans le dernier cas, certains bits du registre permettent de préciser l'Id du processeur qui va devoir recevoir l'interruption. À charge de l'APIC de faire ce qu'il faut en fonction du contenu de ce registre. ==Les processeurs multicœurs== Puis, avec les progrès en matière de miniaturisation des processeurs, les fabricants ont eu l'idée d'utiliser les transistors qu'ils avaient pour fabriquer des '''processeurs multicœurs''', un terme que vous avez peut-être déjà entendu sans vraiment comprendre ce qu'il signifiait réellement. Les processeurs multicœurs peuvent être vus comme un regroupement de plusieurs processeurs sur la même puce de silicium. Pour être plus précis, ils contiennent plusieurs ''cœurs'', chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, que ce soit un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœurs, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. Dans ce qui suit, nous utiliserons le terme cœurs pour désigner soit les cœurs d'un processeur multicœurs, soit les différents processeurs d'un ordinateur multiprocesseur. Tout le contenu de ce chapitre vaut aussi bien pour les systèmes multicœurs que multiprocesseur. Les différences entre les deux sont mineures, les deux font face aux mêmes problèmes, les mêmes solutions peuvent s'appliquer sur les deux types de systèmes. ===Le multicœurs symétrique ou asymétrique=== Dans la grosse majorité des cas, les cœurs d'un processeur multicœurs sont tous identiques. Mais ce n'est certainement pas une obligation et on peut très bien mettre plusieurs cœurs assez différents sur la même puce. On peut par exemple utiliser un cœur principal avec des cœurs plus spécialisés autour. Il faut ainsi distinguer le '''multicœurs symétrique''', dans lequel on place des processeurs identiques sur la même puce de silicium, du '''multicœurs asymétrique''' où les cœurs ne sont pas identiques. Un exemple est celui du processeur CELL de la console de jeu PS3. Il intègre un cœur principal POWER PC v5 et 8 coeurs qui servent de processeurs auxiliaires. Le processeur principal est appelé le PPE et les processeurs auxiliaires sont les SPE. Les SPE sont reliés à une mémoire locale (''local store'') de 256 kibioctets qui communique avec le processeur principal via un bus spécial. Les SPE communiquent avec la RAM principale via des contrôleurs DMA. Les SPE possèdent des instructions permettant de commander leur contrôleur DMA et c'est le seul moyen qu'ils ont pour récupérer des informations depuis la mémoire. Et c'est au programmeur de gérer tout ça ! C'est le processeur principal qui va envoyer aux SPE les programmes qu'ils doivent exécuter. Il délègue des calculs aux SPE en écrivant dans le local store du SPE et en lui ordonnant l’exécution du programme qu'il vient d'écrire. [[File:Schema Cell.png|centre|vignette|upright=2|Architecture du processeur CELL de la PS3. Le PPE est le processeur principal, les SPE sont des processeurs auxiliaires qui comprennent : un ''local store'' noté LS, un processeur noté SXU, et un contrôleur DMA pour échanger des informations avec la mémoire principale.]] ===Les architectures à cœurs conjoints=== Sur certains processeurs multicœurs, certains circuits sont partagés entre plusieurs cœurs. Typiquement, l'unité de calcul flottante est partagée entre deux coeurs/''threads'', les unités SIMD qu'on verra dans quelques chapitres sont aussi dans ce cas. Le partage de circuits permet d'éviter de dupliquer trop de circuits et donc d'économiser des transistors. Le problème est que ce partage est source de dépendances structurelles, ce qui peut entraîner des pertes de performances. Cette technique consistant de partage d'unités de calcul entre coeurs s'appelle le '''cluster multithreading''', ou encore les '''architectures à cœurs conjoints''' (''Conjoined Core Architectures''). Elle est notamment utilisée sur les processeurs AMD de microarchitecture Bulldozer, incluant ses trois révisions ultérieures nommées Piledriver, Steamroller et Excavator. Un exemple est celui des processeurs AMD FX-8150 et FX-8120. Sur ces processeurs, les instructions sont chargées dans deux files d'instructions séparées, une par ''thread'' matériel. Les instructions sont ensuite décodées par un décodeur unique et renommées dans une unité de renommage unique. Par la suite, il y a deux voies entières séparées et une voie flottante partagée. Chaque voie entière a sa propre fenêtre d'instruction entière, son tampon de ré-ordonnancement, ses unités de calcul dédiées, ses registres, sa ''load-store queue'', son cache L1. Par contre, la voie flottante partage les unités de calcul flottantes et n'a qu'une seule fenêtre d'instruction partagée par les deux ''threads''. [[File:AMD Bulldozer microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Bulldozer d'AMD.]] La révision Steamroller sépara le ''front-end'' en deux voies distinctes, une par ''thread''. Concrètement, elle ajouta un second décodeur d'instruction, une seconde file de micro-opération et une seconde unité de renommage de registres, afin d'améliorer les performances. Niveaux optimisations mineures, les stations de réservation ont été augmentées, elles peuvent mémoriser plus de micro-opérations, idem pour les bancs de registre et les files de lecture/écriture. Un cache de micro-opérations a été ajouté, de même que des optimisations quant au renommage de registre. Des ALU ont aussi été ajoutées, des FPU retirées. [[File:AMD excavator microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Excavator d'AMD.]] ===Les architectures ''many core''=== Les architectures ''many core'' ont un très grand nombre de cœurs, plus d'une cinquantaine, voire plusieurs centaines ou milliers. La différence est surtout une question de degré, mais aussi de but recherché. Les architectures multicœurs sont surtout conçues pour les ordinateurs personnels, éventuellement les serveurs. Elles recherchent un bon compromis entre un grand nombre de cœurs, et une bonne performance pour les programmes non-parallèles. En clair, elles évitent de sacrifier les performances pour les applications non-parallèles, ce qui fait que leurs cœurs sont généralement très puissants, avec beaucoup d'optimisations micro-architecturales. Les architectures ''many core'' font le compromis inverse : elles ont beaucoup de cœurs, mais ceux-ci ne sont pas très puissants, surtout pour les applications non-parallèles. Les cœurs des architectures ''many core'' sont généralement des cœurs sans exécution dans le désordre, sans prédiction de branchements, sans renommage de registres, voire sans pipeline ni parallélisme d'instruction. ==Le partage des caches== Quand on conçoit un processeur multicœur, il ne faut pas oublier ce qui arrive à la pièce maîtresse de tout processeur actuel : le cache ! Pour le moment nous allons oublier le fait que les processeurs ont une hiérarchie de caches, avec des caches L1, L2, L3 et autres. Nous allons partir du principe qu'un processeur simple cœur a un seul cache, et voir comment adapter le cache à la présence de plusieurs cœurs. Nous allons rapidement lever cette hypothèse, pour étudier le cas où un processeur multicœur a une hiérarchie de caches, mais seulement après avoir vu le cas le plus simple à un seul cache. ===Le partage des caches sans hiérarchie de caches : caches dédiés et partagés=== Avec un seul niveau de cache, sans hiérarchie, deux solutions sont possibles. La première consiste à garder un seul cache, et de le partager entre les cœurs. L'autre solution est de dupliquer le cache et d'utiliser un cache par cœur. Les deux solutions sont appelées différemment. On parle de '''caches dédiés''' si chaque cœur possède son propre cache, et de '''cache partagé''' avec un cache partagé entre tous les cœurs. Ces deux méthodes ont des inconvénients et des avantages. {| |[[File:Caches dédiés.png|vignette|Caches dédiés]] |[[File:Caches partagés.png|vignette|Cache partagé]] |} Le premier point sur lequel comparer caches dédiés et partagés est celui de la capacité du cache. La quantité de mémoire cache que l'on peut placer dans un processeur est limitée, car le cache prend beaucoup de place, près de la moitié des circuits du processeur. Aussi, un processeur incorpore une certaine quantité de mémoire cache, qu'il faut répartir entre un ou plusieurs caches. Les caches dédiés et partagés ne donnent pas le même résultat. D'un côté, le cache partagé fait que toute la mémoire cache est dédiée au cache partagé, qui est très gros. De l'autre, on doit répartir la capacité du cache entre plusieurs caches séparés, individuellement plus petits. En conséquence, on a le choix entre un petit cache pour chaque processeur ou un gros cache partagé. Le choix entre les deux n'est pas simple, mais doit tenir compte du fait que les programmes exécutés sur les cœurs n'ont pas les mêmes besoins. Certains programmes sont plus gourmands et demandent beaucoup de cache, alors que d'autres utilisent peu la mémoire cache. Avec un cache dédié, tous les programmes ont accès à la même quantité de cache, car les caches des différents cœurs sont de la même taille. Les caches dédiés étant assez petits, les programmes plus gourmands devront se débrouiller avec un petit cache, alors que les autres programmes auront du cache en trop. À l'opposé, un cache partagé répartit le cache de manière optimale : un programme gourmand peut utiliser autant de cache qu'il veut, laissant juste ce qu'il faut aux programmes moins gourmands. le cache peut être répartit plus facilement selon les besoins des différents programmes. [[File:Cache partagé contre cache dédié.png|centre|vignette|upright=2.5|Cache partagé contre cache dédié]] Un autre avantage des caches partagés est quand plusieurs cœurs accèdent aux même données. C'est un cas très courant, souvent lié à l'usage de mémoire partagé ou de ''threads''. Avec des caches dédiés, chaque cœur a une copie des données partagées. Mais avec un cache partagé, il n'y a qu'une seule copie de chaque donnée, ce qui utilise moins de mémoire cache. Imaginons que l'on sait 8 caches dédiés de 8 Kibioctets, soit 64 kibioctets au total, comparé à un cache partagé de même capacité totale. Les doublons dans les caches dédiés réduiront la capacité mémoire utile, effective, comparé à un cache partagé. S'il y a 1 Kibioctet de mémoire partagé, 8 kibioctets seront utilisés pour stocker ces données en doublons, seulement 1 kibioctet sur un cache partagé. Ajoutons aussi que la cohérence des caches est grandement simplifiée avec l'usage d'un cache partagé, vu que les données ne sont pas dupliquées dans plusieurs caches. Mais le partage du cache peut se transformer en inconvénient si les programmes entrent en compétition pour le cache, que ce soit pour y placer des données ou pour les accès mémoire. Deux programmes peuvent vouloir accéder au cache en même temps, voire carrément se marcher sur les pieds. La résolution des conflits d'accès au cache est résolu soit en prenant un cache multiport, avec un port dédié par cœur, soit par des mécanismes d'arbitrages avec des circuits dédiés. Le revers de la médaille tient au temps de latence. Plus un cache est gros, plus il est lent. En conséquence, des caches dédiés seront plus rapides qu'un gros cache partagé plus lent. ===Le partage des caches adapté à une hiérarchie de caches=== Dans la réalité, un processeur multicœur ne contient pas qu'un seul cache, mais une hiérarchie de caches avec des caches L1, L2 et L3, parfois L4. Dans cette hiérarchie, certains caches sont partagés entre plusieurs cœurs, les autres sont dédiés. Le cache L1 n'est jamais partagé, car il doit avoir un temps d'accès très faible. Pour les autres caches, tout dépend du processeur. [[File:Dual Core Generic.svg|vignette|Cache L2 partagé.]] Les premiers processeurs multicœurs commerciaux utilisaient deux niveaux de cache : des caches L1 dédiés et un cache L2 partagé. Le cache L2 partagé était relié aux caches L1, grâce à un système assez complexe d'interconnexions. Le cache de niveau L2 était souvent simple port, car les caches L1 se chargent de filtrer les accès aux caches de niveau inférieurs. Les processeurs multicœurs modernes ont des caches L3 et même L4, de grande capacité, ce qui a modifié le partage des caches. Le cache de dernier niveau, à savoir le cache le plus proche de la mémoire, est systématiquement partagé, car son rôle est d'être un cache lent mais gros. Il s'agit le plus souvent d'un cache de L3, plus rarement L4. Sur certains processeurs multicœurs, le cache de dernier niveau n'est techniquement pas dans le cœur, mais fait partie d'un ensemble de circuits reliés, comme le contrôleur mémoire ou l'interface mémoire. Il fonctionne à une fréquence différente du processeur, n'a pas la même tension d'alimentation, etc. Le cas du cache L2 dépend des architectures : il est partagé sur certains processeurs, dédié sur d'autres. Mais sur les processeurs modernes, c'est un cache dédié soit par cœur, soit pour un groupe de cœurs. Dans le cas le plus courant, chaque cache L2 est partagé entre plusieurs cœurs mais pas à tous. En effet, on peut limiter le partage du cache à quelques cœurs particuliers pour des raisons de performances. [[File:Partage des caches sur un processeur multicoeurs.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur multicœur.]] D'autres processeurs ont des caches L2 dédiés. Il s'agit surtout des processeurs multicœurs anciens, parmi les premières générations de processeurs multicœurs. Un exemple est celui de la microarchitecture Nehalem d'Intel. Il avait des caches L1 et L2 dédiés, mais un cache L3 partagé. [[File:Nehalem EP.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur Intel d'architecture Nehalem.]] ===Les caches partagés centralisés et distribués=== Un point important est que quand on parle de cache partagé ou de cache dédié, on ne parle que de la manière dont les cœurs peuvent accéder au cache, pas de la manière dont le caches est réellement localisé sur la puce. En théorie, qui dit plusieurs caches dédiés signifie que l'on a vraiment plusieurs caches séparés sur la puce. Et chaque cache dédié est proche du cœur qui lui est attribué. Et pour les caches partagés unique, une portion de la puce de silicium contient le cache, que cette portion est un énorme bloc de transistors. Il est généralement placé au milieu de la puce ou sur un côté, histoire de facilement le connecter à tous les cœurs. Mais pour les caches séparés, ce n'est pas toujours le cas. Avoir un cache énorme poserait des problèmes sur les architectures avec beaucoup de cœurs. En réalité, le cache est souvent découpé en plusieurs banques, reliées à un contrôleur du cache par un système d'interconnexion assez complexe. Les banques sont physiquement séparées, et il arrive qu'elles soient placées proche d'un cœur chacune. L'organisation des banques ressemble beaucoup à l'organisation des caches dédiés, avec une banque étant l'équivalent d'un cache dédié. La différence est que les cœurs peuvent lire et écrire dans toutes les banques, grâce au système d'interconnexion et au contrôleur de cache. Tel était le cas sur les processeurs AMD Jaguar. Ils avaient un cache L2 de 2 mébioctets, partagés entre tous les cœurs, qui était composé de 4 banques de 512 Kibioctets. Les quatre banques du cache étaient reliées aux 4 cœurs par un réseaux d'interconnexion assez complexe. [[File:AMDJaguarModule.png|centre|vignette|upright=2|AMD Jaguar Module]] La différence entre les deux solutions pour les caches partagés porte le nom de cache centralisés versus distribués. Un gros cache unique sur la puce est un '''cache centralisé''', et c'est généralement un cache partagé. Mais un cache composé de plusieurs banques dispersées sur la puce est un '''cache distribué''', qui peut être aussi bien dédié que partagé. ===Les caches virtualisés=== Il faut noter que quelques processeurs utilisent cette technique pour fusionnent le cache L2 et le cache L3. Par exemple, les processeurs IBM Telum utilisent des caches L3 virtualisés, dans leurs versions récentes. Le processeur Telum 2 contient 10 caches L2 de 36 mébioctets chacun, soit 360 mébioctets de cache. L'idée est que ces 360 mébioctets sont partagés à la demande entre cache L2 dédié et cache L3. On parle alors de '''cache virtualisé'''. Un cache de 36 mébioctet est associé à un cœur, auquel il est directement relié. Les cœurs n'utilisent pas tous leur cache dédié à 100% Il arrive que des cœurs aient des caches partiellement vides, alors que d'autres on un cache qui déborde. L'idée est que si un cœur a un cache plein, les données évincées du cache L2 privé sont déplacées dans le cache L2 d'un autre cœur, qui lui est partiellement vide. Le cache L2 en question est alors partitionné en deux : une portion pour les données associée à son cœur, une portion pour les données des L2 des autres cœurs. Pour que la technique fonctionne, le processeur mesure le remplissage de chaque cache L2. De plus, il faut gérer la politique de remplacement des lignes de cache. Une ligne de cache évincée du cache doit être déplacé dans un autre L2, pas dans les niveaux de cache inférieur, ni dans la mémoire. Du moins, tant qu'il reste de la place dans le cache L3. De plus, une lecture/écriture dans le cache L3 demande de localiser le cache L2 contenant la donnée. Pour cela, les caches L2 sont tous consultés lors d'un accès au L3, c'est la solution la plus simple, elle marche très bien si le taux de défaut du cache L2 est faible. Une telle optimisation ressemble beaucoup à un cache L2/L3 distribué, mais il y a quelques différences qui sont décrites dans le paragraphe précédent. Avec un L2 distribué, tout accès au L2 déclencherait une consultation de toutes les banques du L2. Avec un cache L3 virtualisé, ce n'est pas le cas. Le cache L2 associé au cœur est consulté, et c'est seulement en cas de défaut de cache que les autres caches L2 sont consultés. De plus, avec un cache L2 distribué, il n'y a pas de déplacement d'une ligne de cache entre deux banques, entre deux caches L2 physiques. Alors qu'avec un cache L3 virtualisé, c'est le cas en cas de remplacement d'une ligne de cache dans le cache L2. Sur le processeur Telum 1, le partage du cache L2 est assez simple. Un cache L2 fait 32 mébioctets et est découpé en deux banques de 16 mébioctets. En temps normal, les premiers 16 mébioctets sont toujours associé au cache L2, au cœur associé. Les 16 mébioctets restants peuvent soit être attribués au cache L3, soit fusionnés avec les 16 premiers mébioctets. Dans le cas où le cœur associé est en veille, n'est absolument pas utilisé, les 32 mébioctets sont attribués au cache L3. Un partage assez simple, donc. Le partage du cache L2/L3 sur les processeurs Telum 2 n'est pas connu, il est supposé être plus flexible. ==Le réseau d'interconnexion entre cœurs== Les CPU multicœurs connectent plusieurs cœurs entre eux, tout comme les systèmes multi-processeurs connectent plusieurs processeurs entre eux. Mais les transferts de données entre cœurs se font par l'intermédiaire des caches, ce qui fait que l'implémentation est différente de celle utilisée sur les systèmes multi-processeurs. Les standards pour les interconnexions entre coeurs sont assez proches de ceux utilisés pour interconnecter des processeurs, mais les standards utilisés ne sont pas les mêmes en pratique. Là encore, les cœurs sont connectés entre eux soit par un bus, soit par un réseau d'interconnexion. ===Le bus partagé entre plusieurs cœurs=== Une solution simple relie les cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Le cas le plus simple est celui où chaque cœur dispose de caches dédiés, qui sont alors tous reliés au bus mémoire, qui sert d'intermédiaire. Mais l'idée doit être adaptée sur les processeurs multicœurs avec des caches partagés. Voyons d'abord le cas d'un CPU avec deux niveaux de cache, dont un cache L2 est partagé entre tous les cœurs. Les caches L1 sont reliés au cache L2 partagé par un bus, qui n'a souvent pas de nom. Nous désignerons le bus entre le cache L1 et le cache L2 : '''bus partagé''', sous-entendu partagé entre tous les caches. C'est lui qui sert à connecter les cœurs entre eux. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2]] Un processeur multicœur typique a une architecture avec trois niveaux de cache (L1, L2 et L3), avec un niveau L1 dédié par cœur, un niveau L2 partiellement partagé et un L3 totalement partagé. Le bus partagé est alors difficile à décrire, mais il correspond à l'ensemble des bus qui connectent les caches L1 aux caches L2, et les caches L2 au cache L3. Il s'agit alors d'un ensemble de bus, plus que d'un bus partagé unique. L'usage d'un bus partagé a cependant de nombreux défauts dont nous parlerons en détail du bus partagé dans le chapitre sur la cohérence des caches. ===Le réseau d'interconnexion entre plusieurs cœurs=== Relier plusieurs cœurs avec des bus pose de nombreux problèmes techniques qui sont d'autant plus problématiques que le nombre de cœurs augmente. Le câblage est notamment très complexe, les contraintes électriques pour la transmission des signaux sont beaucoup plus fortes, les problèmes d'arbitrages se font plus fréquents, etc. Pour régler ces problèmes, les processeurs multicoeurs n'utilisent pas de bus partagé, mais un réseau d'interconnexion plus complexe. Le réseau d'interconnexion peut être très complexe, avec des connexions réseau, des commutateurs, et des protocoles d'échanges entre processeurs assez complexes basés sur du passage de messages. De telles puces utilisent un '''réseau sur puce''' (''network on chip''). Mais d'autres simplifient le réseau d'interconnexion, qui se résume à un réseau ''crossbar'', voire à des mémoires FIFO pour faire l'interface entre les cœurs. Le problème principal des réseaux sur puce est que les mémoires FIFOs sont difficiles à implémenter sur une puce de silicium. Elles prennent beaucoup de place, utilisent beaucoup de portes logiques, consomment beaucoup d'énergie, sont difficiles à concevoir pour diverses raisons (les accès concurrents/simultanés sont fréquents et font mauvais ménage avec les ''timings'' serrés de quelques cycles d'horloges requis). Il est donc impossible de placer beaucoup de mémoires FIFO dans un processeur, ce qui fait que les commutateur sont réduits à leur strict minimum : un réseau d'interconnexion, un système d'arbitrage simple parfois sans aucune FIFO, guère plus. ===Les architectures en ''tile''=== Un cas particulier de réseau sur puce est celui des '''architectures en ''tile''''', des architectures avec un grand nombre de cœurs, connectés les unes aux autres par un réseau d'interconnexion "rectangulaire". Chaque cœur est associé à un commutateur (''switch'') qui le connecte au réseau d'interconnexion, l'ensemble formant une ''tile''. [[File:Tile64-Tile.svg|centre|vignette|upright=1.5|''Tile'' de base du Tile64.]] Le réseau est souvent organisé en tableau, chaque ''tile'' étant connectée à plusieurs voisines. Dans le cas le plus fréquent, chaque ''tile'' est connectée à quatre voisines : celle du dessus, celle du dessous, celle de gauche et celle de droite. Précisons que cette architecture n'est pas une architecture distribuée dont tous les processeurs seraient placés sur la même puce de silicium. En effet, la comparaison ne marche pas pour ce qui est de la mémoire : tous les cœurs accèdent à une mémoire partagée située en dehors de la puce de silicium. Le réseau ne connecte pas plusieurs ordinateurs séparés avec chacun leur propre mémoire, mais plusieurs cœurs qui accèdent à une mémoire partagée. Un bon exemple d'architecture en ''tile'' serait les déclinaisons de l'architecture Tilera. Les schémas du-dessous montrent l'architecture du processeur Tile 64. Outre les ''tiles'', qui sont les éléments de calcul de l'architecture, on trouve plusieurs contrôleurs mémoire DDR, divers interfaces réseau, des interfaces série et parallèles, et d'autres entrées-sorties. [[File:Tile64.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture Tile64 du Tilera.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=Les architectures parallèles | prevText=Les architectures parallèles | next=Architectures multithreadées et Hyperthreading | nextText=Architectures multithreadées et Hyperthreading }} </noinclude> oeca8zx09vecr0eb4zt2wl629wv8pqy 762432 762431 2026-03-28T14:21:32Z Mewtow 31375 /* Le réseau d'interconnexion inter-processeur */ 762432 wikitext text/x-wiki Pour réellement tirer parti du parallélisme de taches, rien ne vaut l'utilisation de plusieurs processeurs et/ou de plusieurs ordinateurs, qui exécutent chacun un ou plusieurs programmes dans leur coin. Si utiliser plusieurs ordinateurs connectés par un réseau local est une solution simple et facile à implémenter, elle est cependant assez onéreuse et demande des logiciels adaptés qui permettent de profiter d'une telle architecture matérielle. D'autres solutions multiprocesseurs ont alors vu le jour pour rendre l'usage de plusieurs processeurs plus adéquat. ==Les systèmes multiprocesseur== Les '''systèmes multiprocesseur''' placent plusieurs processeurs sur la même carte mère. Ils sont courants dans les serveurs ou les ''data centers'', mais sont beaucoup plus rares pour les ordinateurs grand public. Il y a eu quelques systèmes multiprocesseur vendus au grand public dans les années 2000, certaines cartes mères avaient deux sockets pour mettre deux processeurs. Mais les logiciels et les systèmes d'exploitation grand public n'étaient pas adaptés pour, la demande pour des ordinateurs multiprocesseurs était limitée à quelques professionnels et ne justifiait pas un investissement majeur dans ces technologies. Au final, le gain était assez faible en terme de performance, peu de logiciels grand public profitaient de l'usage de plusieurs processeurs, la technologie est restée confidentielle. Du moins, avant l'arrivée des processeurs multicœur, après 2005. ===Le réseau d'interconnexion inter-processeur=== Les cartes mères multi-processeurs incorporent un réseau d'interconnexion pour connecter les processeurs à la mémoire RAM, au reste de l'ordinateur, et aussi pour les connecter entre eux. Il s'agit d'un '''réseau d'interconnexion inter-processeur''', placé sur la carte mère. Les processeurs sont tous connectés en utilisant deux solutions : soit avec un bus, soit avec un réseau d'interconnexion très complexe. Une solution simple relie les processeurs/cœurs entre eux grâce au bus mémoire. Le réseau d'interconnexion est donc un bus, partagé avec tous les processeurs. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multiprocesseurs à bus partagé]] Le bus mémoire est donc un '''bus partagé''', avec tout ce que cela implique. Les processeurs doivent se répartir l'accès au bus mémoire, il faut gérer le cas où deux processeurs accèdent au bus en même temps, etc. Pour cela, un composant dédié s'occupe de l'arbitrage entre processeurs. Il est généralement placé sur la carte mère de l'ordinateur, dans le ''chipset'', dans le pont nord, ou un endroit proche. [[File:Intel486 System Arbitration.png|centre|vignette|upright=2|Système avec deux Intel486 - Arbitrage du bus mémoire.]] De nos jours, les cartes mères pour serveur n'utilisent plus de bus partagé, mais utilisent un réseau d'interconnexion plus élaboré. Le réseau en question est un vrai réseau, qui peut être un réseau en anneau, un réseau crossbar, un réseau routé, etc. Le réseau d'interconnexion relie entre eux les cœurs, l'interface avec la mémoire RAM, le cache partagé L3/L4, mais aussi le bus PCI-Express, le GPU et quelques autres circuits séparés. [[File:Architecture multicoeurs et réseau sur puce.png|centre|vignette|upright=1.5|Architecture multicoeurs et réseau sur puce]] Les systèmes multi-processeurs modernes utilisent des réseaux d'interconnexion standardisés, les standards les plus communs étant l'HyperTransport, l'Intel QuickPath Interconnect, l'IBM Elastic Interface, le Intel Ultra Path Interconnect, l'Infinity Fabric, etc. Ils remplacent le fameux ''front-side bus'' des tout premiers processeurs multicœurs. ===Les interruptions inter-processeurs=== Les différents processeurs sont gérés par le système d'exploitation de l'ordinateur, avec l'aide d''''interruptions inter-processeurs''', des interruptions déclenchées sur un processeur et exécutées sur un autre, éventuellement par tous les autres pour certaines interruptions spécifiques. Pour générer des interruptions inter-processeur, le contrôleur d'interruption doit pouvoir rediriger des interruptions déclenchées par un processeur vers un autre. Un exemple d'implémentation très simple est celui de la console Néo-géo, qui contenait deux processeurs. Le premier est un Motorola 68000 qui sert de processeur principal, l'autre est un Z80 qui sert de processeur dédié à l'audio. Le Z80 commande un synthétiseur sonore, et est relié à sa propre mémoire, distincte de la mémoire principale. Le MC68000 est le processeur principal et a une relation maitre-esclave avec le Z80 : le MC68000 envoie des interruptions au Z80, mais la communication ne va pas dans l'autre sens. Les deux processeurs communiquent via l'intermédiaire d'un '''''IO arbiter chip''''', un circuit sur la carte mère connecté au bus, qui gère les interruptions inter-processeur. Il contient un registre de 8 bits, dans lequel le MC68000 peut écrire dedans à sa guise, le registre étant adressable par le processeur. Les valeurs écrites dans ce registre sont des numéros d'interruption, qui indiquent quelle routine d'interruption exécuter. Lorsque le MC68000 écrit une valeur dedans, cela déclenche l’exécution automatique d'une interruption sur le Z80. Le code de 8 bits est envoyé au processeur Z80, en parallèle de l'interruption. : Il est possible de voir ce ''IO arbiter chip'' comme un contrôleur d'interruptions spécialisé dans les interruptions inter-processeur. Les anciens PC incorporaient sur leur carte mère un contrôleur d'interruption créé par Intel, le 8259A, qui ne gérait pas les interruptions inter-processeurs. Les cartes mères multiprocesseurs devaient incorporer un contrôleur spécial en complément. De nos jours, chaque cœur x86 possède son propre contrôleur d’interruption, le local APIC, qui gère les interruptions en provenance ou arrivant vers ce processeur. On trouve aussi un IO-APIC, qui gère les interruptions en provenance des périphériques et de les redistribuer vers les APIC locaux. L'IO-APIC gère aussi les interruptions inter-processeurs en faisant passer les interruptions d'un local APIC vers un autre. Tous les APIC locaux et l'IO-APIC sont reliés ensembles par un bus APIC spécialisé, par lequel ils vont pouvoir communiquer et s'échanger des demandes d'interruptions. [[File:Contrôleurs d'interrptions sur systèmes x86 multicoeurs.png|centre|vignette|upright=1.5|Contrôleurs d’interruptions sur systèmes x86 multicœurs.]] On peut préciser le processeur de destination en configurant certains registres du IO-APIC, afin que celui-ci redirige la demande d'interruption d'un local APIC vers celui sélectionné. Cela se fait avec l'aide d'un registre de 64 bits nommé l'''Interrupt Command Register''. Pour simplifier le mécanisme complet, chaque processeur se voit attribuer un Id au démarrage qui permet de l'identifier (en fait, cet Id est attribué au local APIC de chaque processeur). Certains bits de ce registre permettent de préciser quel est le type de transfert : doit-on envoyer l'interruption au processeur émetteur, à tous les autres processeurs, à un processeur particulier. Dans le dernier cas, certains bits du registre permettent de préciser l'Id du processeur qui va devoir recevoir l'interruption. À charge de l'APIC de faire ce qu'il faut en fonction du contenu de ce registre. ==Les processeurs multicœurs== Puis, avec les progrès en matière de miniaturisation des processeurs, les fabricants ont eu l'idée d'utiliser les transistors qu'ils avaient pour fabriquer des '''processeurs multicœurs''', un terme que vous avez peut-être déjà entendu sans vraiment comprendre ce qu'il signifiait réellement. Les processeurs multicœurs peuvent être vus comme un regroupement de plusieurs processeurs sur la même puce de silicium. Pour être plus précis, ils contiennent plusieurs ''cœurs'', chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, que ce soit un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœurs, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. Dans ce qui suit, nous utiliserons le terme cœurs pour désigner soit les cœurs d'un processeur multicœurs, soit les différents processeurs d'un ordinateur multiprocesseur. Tout le contenu de ce chapitre vaut aussi bien pour les systèmes multicœurs que multiprocesseur. Les différences entre les deux sont mineures, les deux font face aux mêmes problèmes, les mêmes solutions peuvent s'appliquer sur les deux types de systèmes. ===Le multicœurs symétrique ou asymétrique=== Dans la grosse majorité des cas, les cœurs d'un processeur multicœurs sont tous identiques. Mais ce n'est certainement pas une obligation et on peut très bien mettre plusieurs cœurs assez différents sur la même puce. On peut par exemple utiliser un cœur principal avec des cœurs plus spécialisés autour. Il faut ainsi distinguer le '''multicœurs symétrique''', dans lequel on place des processeurs identiques sur la même puce de silicium, du '''multicœurs asymétrique''' où les cœurs ne sont pas identiques. Un exemple est celui du processeur CELL de la console de jeu PS3. Il intègre un cœur principal POWER PC v5 et 8 coeurs qui servent de processeurs auxiliaires. Le processeur principal est appelé le PPE et les processeurs auxiliaires sont les SPE. Les SPE sont reliés à une mémoire locale (''local store'') de 256 kibioctets qui communique avec le processeur principal via un bus spécial. Les SPE communiquent avec la RAM principale via des contrôleurs DMA. Les SPE possèdent des instructions permettant de commander leur contrôleur DMA et c'est le seul moyen qu'ils ont pour récupérer des informations depuis la mémoire. Et c'est au programmeur de gérer tout ça ! C'est le processeur principal qui va envoyer aux SPE les programmes qu'ils doivent exécuter. Il délègue des calculs aux SPE en écrivant dans le local store du SPE et en lui ordonnant l’exécution du programme qu'il vient d'écrire. [[File:Schema Cell.png|centre|vignette|upright=2|Architecture du processeur CELL de la PS3. Le PPE est le processeur principal, les SPE sont des processeurs auxiliaires qui comprennent : un ''local store'' noté LS, un processeur noté SXU, et un contrôleur DMA pour échanger des informations avec la mémoire principale.]] ===Les architectures à cœurs conjoints=== Sur certains processeurs multicœurs, certains circuits sont partagés entre plusieurs cœurs. Typiquement, l'unité de calcul flottante est partagée entre deux coeurs/''threads'', les unités SIMD qu'on verra dans quelques chapitres sont aussi dans ce cas. Le partage de circuits permet d'éviter de dupliquer trop de circuits et donc d'économiser des transistors. Le problème est que ce partage est source de dépendances structurelles, ce qui peut entraîner des pertes de performances. Cette technique consistant de partage d'unités de calcul entre coeurs s'appelle le '''cluster multithreading''', ou encore les '''architectures à cœurs conjoints''' (''Conjoined Core Architectures''). Elle est notamment utilisée sur les processeurs AMD de microarchitecture Bulldozer, incluant ses trois révisions ultérieures nommées Piledriver, Steamroller et Excavator. Un exemple est celui des processeurs AMD FX-8150 et FX-8120. Sur ces processeurs, les instructions sont chargées dans deux files d'instructions séparées, une par ''thread'' matériel. Les instructions sont ensuite décodées par un décodeur unique et renommées dans une unité de renommage unique. Par la suite, il y a deux voies entières séparées et une voie flottante partagée. Chaque voie entière a sa propre fenêtre d'instruction entière, son tampon de ré-ordonnancement, ses unités de calcul dédiées, ses registres, sa ''load-store queue'', son cache L1. Par contre, la voie flottante partage les unités de calcul flottantes et n'a qu'une seule fenêtre d'instruction partagée par les deux ''threads''. [[File:AMD Bulldozer microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Bulldozer d'AMD.]] La révision Steamroller sépara le ''front-end'' en deux voies distinctes, une par ''thread''. Concrètement, elle ajouta un second décodeur d'instruction, une seconde file de micro-opération et une seconde unité de renommage de registres, afin d'améliorer les performances. Niveaux optimisations mineures, les stations de réservation ont été augmentées, elles peuvent mémoriser plus de micro-opérations, idem pour les bancs de registre et les files de lecture/écriture. Un cache de micro-opérations a été ajouté, de même que des optimisations quant au renommage de registre. Des ALU ont aussi été ajoutées, des FPU retirées. [[File:AMD excavator microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Excavator d'AMD.]] ===Les architectures ''many core''=== Les architectures ''many core'' ont un très grand nombre de cœurs, plus d'une cinquantaine, voire plusieurs centaines ou milliers. La différence est surtout une question de degré, mais aussi de but recherché. Les architectures multicœurs sont surtout conçues pour les ordinateurs personnels, éventuellement les serveurs. Elles recherchent un bon compromis entre un grand nombre de cœurs, et une bonne performance pour les programmes non-parallèles. En clair, elles évitent de sacrifier les performances pour les applications non-parallèles, ce qui fait que leurs cœurs sont généralement très puissants, avec beaucoup d'optimisations micro-architecturales. Les architectures ''many core'' font le compromis inverse : elles ont beaucoup de cœurs, mais ceux-ci ne sont pas très puissants, surtout pour les applications non-parallèles. Les cœurs des architectures ''many core'' sont généralement des cœurs sans exécution dans le désordre, sans prédiction de branchements, sans renommage de registres, voire sans pipeline ni parallélisme d'instruction. ==Le partage des caches== Quand on conçoit un processeur multicœur, il ne faut pas oublier ce qui arrive à la pièce maîtresse de tout processeur actuel : le cache ! Pour le moment nous allons oublier le fait que les processeurs ont une hiérarchie de caches, avec des caches L1, L2, L3 et autres. Nous allons partir du principe qu'un processeur simple cœur a un seul cache, et voir comment adapter le cache à la présence de plusieurs cœurs. Nous allons rapidement lever cette hypothèse, pour étudier le cas où un processeur multicœur a une hiérarchie de caches, mais seulement après avoir vu le cas le plus simple à un seul cache. ===Le partage des caches sans hiérarchie de caches : caches dédiés et partagés=== Avec un seul niveau de cache, sans hiérarchie, deux solutions sont possibles. La première consiste à garder un seul cache, et de le partager entre les cœurs. L'autre solution est de dupliquer le cache et d'utiliser un cache par cœur. Les deux solutions sont appelées différemment. On parle de '''caches dédiés''' si chaque cœur possède son propre cache, et de '''cache partagé''' avec un cache partagé entre tous les cœurs. Ces deux méthodes ont des inconvénients et des avantages. {| |[[File:Caches dédiés.png|vignette|Caches dédiés]] |[[File:Caches partagés.png|vignette|Cache partagé]] |} Le premier point sur lequel comparer caches dédiés et partagés est celui de la capacité du cache. La quantité de mémoire cache que l'on peut placer dans un processeur est limitée, car le cache prend beaucoup de place, près de la moitié des circuits du processeur. Aussi, un processeur incorpore une certaine quantité de mémoire cache, qu'il faut répartir entre un ou plusieurs caches. Les caches dédiés et partagés ne donnent pas le même résultat. D'un côté, le cache partagé fait que toute la mémoire cache est dédiée au cache partagé, qui est très gros. De l'autre, on doit répartir la capacité du cache entre plusieurs caches séparés, individuellement plus petits. En conséquence, on a le choix entre un petit cache pour chaque processeur ou un gros cache partagé. Le choix entre les deux n'est pas simple, mais doit tenir compte du fait que les programmes exécutés sur les cœurs n'ont pas les mêmes besoins. Certains programmes sont plus gourmands et demandent beaucoup de cache, alors que d'autres utilisent peu la mémoire cache. Avec un cache dédié, tous les programmes ont accès à la même quantité de cache, car les caches des différents cœurs sont de la même taille. Les caches dédiés étant assez petits, les programmes plus gourmands devront se débrouiller avec un petit cache, alors que les autres programmes auront du cache en trop. À l'opposé, un cache partagé répartit le cache de manière optimale : un programme gourmand peut utiliser autant de cache qu'il veut, laissant juste ce qu'il faut aux programmes moins gourmands. le cache peut être répartit plus facilement selon les besoins des différents programmes. [[File:Cache partagé contre cache dédié.png|centre|vignette|upright=2.5|Cache partagé contre cache dédié]] Un autre avantage des caches partagés est quand plusieurs cœurs accèdent aux même données. C'est un cas très courant, souvent lié à l'usage de mémoire partagé ou de ''threads''. Avec des caches dédiés, chaque cœur a une copie des données partagées. Mais avec un cache partagé, il n'y a qu'une seule copie de chaque donnée, ce qui utilise moins de mémoire cache. Imaginons que l'on sait 8 caches dédiés de 8 Kibioctets, soit 64 kibioctets au total, comparé à un cache partagé de même capacité totale. Les doublons dans les caches dédiés réduiront la capacité mémoire utile, effective, comparé à un cache partagé. S'il y a 1 Kibioctet de mémoire partagé, 8 kibioctets seront utilisés pour stocker ces données en doublons, seulement 1 kibioctet sur un cache partagé. Ajoutons aussi que la cohérence des caches est grandement simplifiée avec l'usage d'un cache partagé, vu que les données ne sont pas dupliquées dans plusieurs caches. Mais le partage du cache peut se transformer en inconvénient si les programmes entrent en compétition pour le cache, que ce soit pour y placer des données ou pour les accès mémoire. Deux programmes peuvent vouloir accéder au cache en même temps, voire carrément se marcher sur les pieds. La résolution des conflits d'accès au cache est résolu soit en prenant un cache multiport, avec un port dédié par cœur, soit par des mécanismes d'arbitrages avec des circuits dédiés. Le revers de la médaille tient au temps de latence. Plus un cache est gros, plus il est lent. En conséquence, des caches dédiés seront plus rapides qu'un gros cache partagé plus lent. ===Le partage des caches adapté à une hiérarchie de caches=== Dans la réalité, un processeur multicœur ne contient pas qu'un seul cache, mais une hiérarchie de caches avec des caches L1, L2 et L3, parfois L4. Dans cette hiérarchie, certains caches sont partagés entre plusieurs cœurs, les autres sont dédiés. Le cache L1 n'est jamais partagé, car il doit avoir un temps d'accès très faible. Pour les autres caches, tout dépend du processeur. [[File:Dual Core Generic.svg|vignette|Cache L2 partagé.]] Les premiers processeurs multicœurs commerciaux utilisaient deux niveaux de cache : des caches L1 dédiés et un cache L2 partagé. Le cache L2 partagé était relié aux caches L1, grâce à un système assez complexe d'interconnexions. Le cache de niveau L2 était souvent simple port, car les caches L1 se chargent de filtrer les accès aux caches de niveau inférieurs. Les processeurs multicœurs modernes ont des caches L3 et même L4, de grande capacité, ce qui a modifié le partage des caches. Le cache de dernier niveau, à savoir le cache le plus proche de la mémoire, est systématiquement partagé, car son rôle est d'être un cache lent mais gros. Il s'agit le plus souvent d'un cache de L3, plus rarement L4. Sur certains processeurs multicœurs, le cache de dernier niveau n'est techniquement pas dans le cœur, mais fait partie d'un ensemble de circuits reliés, comme le contrôleur mémoire ou l'interface mémoire. Il fonctionne à une fréquence différente du processeur, n'a pas la même tension d'alimentation, etc. Le cas du cache L2 dépend des architectures : il est partagé sur certains processeurs, dédié sur d'autres. Mais sur les processeurs modernes, c'est un cache dédié soit par cœur, soit pour un groupe de cœurs. Dans le cas le plus courant, chaque cache L2 est partagé entre plusieurs cœurs mais pas à tous. En effet, on peut limiter le partage du cache à quelques cœurs particuliers pour des raisons de performances. [[File:Partage des caches sur un processeur multicoeurs.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur multicœur.]] D'autres processeurs ont des caches L2 dédiés. Il s'agit surtout des processeurs multicœurs anciens, parmi les premières générations de processeurs multicœurs. Un exemple est celui de la microarchitecture Nehalem d'Intel. Il avait des caches L1 et L2 dédiés, mais un cache L3 partagé. [[File:Nehalem EP.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur Intel d'architecture Nehalem.]] ===Les caches partagés centralisés et distribués=== Un point important est que quand on parle de cache partagé ou de cache dédié, on ne parle que de la manière dont les cœurs peuvent accéder au cache, pas de la manière dont le caches est réellement localisé sur la puce. En théorie, qui dit plusieurs caches dédiés signifie que l'on a vraiment plusieurs caches séparés sur la puce. Et chaque cache dédié est proche du cœur qui lui est attribué. Et pour les caches partagés unique, une portion de la puce de silicium contient le cache, que cette portion est un énorme bloc de transistors. Il est généralement placé au milieu de la puce ou sur un côté, histoire de facilement le connecter à tous les cœurs. Mais pour les caches séparés, ce n'est pas toujours le cas. Avoir un cache énorme poserait des problèmes sur les architectures avec beaucoup de cœurs. En réalité, le cache est souvent découpé en plusieurs banques, reliées à un contrôleur du cache par un système d'interconnexion assez complexe. Les banques sont physiquement séparées, et il arrive qu'elles soient placées proche d'un cœur chacune. L'organisation des banques ressemble beaucoup à l'organisation des caches dédiés, avec une banque étant l'équivalent d'un cache dédié. La différence est que les cœurs peuvent lire et écrire dans toutes les banques, grâce au système d'interconnexion et au contrôleur de cache. Tel était le cas sur les processeurs AMD Jaguar. Ils avaient un cache L2 de 2 mébioctets, partagés entre tous les cœurs, qui était composé de 4 banques de 512 Kibioctets. Les quatre banques du cache étaient reliées aux 4 cœurs par un réseaux d'interconnexion assez complexe. [[File:AMDJaguarModule.png|centre|vignette|upright=2|AMD Jaguar Module]] La différence entre les deux solutions pour les caches partagés porte le nom de cache centralisés versus distribués. Un gros cache unique sur la puce est un '''cache centralisé''', et c'est généralement un cache partagé. Mais un cache composé de plusieurs banques dispersées sur la puce est un '''cache distribué''', qui peut être aussi bien dédié que partagé. ===Les caches virtualisés=== Il faut noter que quelques processeurs utilisent cette technique pour fusionnent le cache L2 et le cache L3. Par exemple, les processeurs IBM Telum utilisent des caches L3 virtualisés, dans leurs versions récentes. Le processeur Telum 2 contient 10 caches L2 de 36 mébioctets chacun, soit 360 mébioctets de cache. L'idée est que ces 360 mébioctets sont partagés à la demande entre cache L2 dédié et cache L3. On parle alors de '''cache virtualisé'''. Un cache de 36 mébioctet est associé à un cœur, auquel il est directement relié. Les cœurs n'utilisent pas tous leur cache dédié à 100% Il arrive que des cœurs aient des caches partiellement vides, alors que d'autres on un cache qui déborde. L'idée est que si un cœur a un cache plein, les données évincées du cache L2 privé sont déplacées dans le cache L2 d'un autre cœur, qui lui est partiellement vide. Le cache L2 en question est alors partitionné en deux : une portion pour les données associée à son cœur, une portion pour les données des L2 des autres cœurs. Pour que la technique fonctionne, le processeur mesure le remplissage de chaque cache L2. De plus, il faut gérer la politique de remplacement des lignes de cache. Une ligne de cache évincée du cache doit être déplacé dans un autre L2, pas dans les niveaux de cache inférieur, ni dans la mémoire. Du moins, tant qu'il reste de la place dans le cache L3. De plus, une lecture/écriture dans le cache L3 demande de localiser le cache L2 contenant la donnée. Pour cela, les caches L2 sont tous consultés lors d'un accès au L3, c'est la solution la plus simple, elle marche très bien si le taux de défaut du cache L2 est faible. Une telle optimisation ressemble beaucoup à un cache L2/L3 distribué, mais il y a quelques différences qui sont décrites dans le paragraphe précédent. Avec un L2 distribué, tout accès au L2 déclencherait une consultation de toutes les banques du L2. Avec un cache L3 virtualisé, ce n'est pas le cas. Le cache L2 associé au cœur est consulté, et c'est seulement en cas de défaut de cache que les autres caches L2 sont consultés. De plus, avec un cache L2 distribué, il n'y a pas de déplacement d'une ligne de cache entre deux banques, entre deux caches L2 physiques. Alors qu'avec un cache L3 virtualisé, c'est le cas en cas de remplacement d'une ligne de cache dans le cache L2. Sur le processeur Telum 1, le partage du cache L2 est assez simple. Un cache L2 fait 32 mébioctets et est découpé en deux banques de 16 mébioctets. En temps normal, les premiers 16 mébioctets sont toujours associé au cache L2, au cœur associé. Les 16 mébioctets restants peuvent soit être attribués au cache L3, soit fusionnés avec les 16 premiers mébioctets. Dans le cas où le cœur associé est en veille, n'est absolument pas utilisé, les 32 mébioctets sont attribués au cache L3. Un partage assez simple, donc. Le partage du cache L2/L3 sur les processeurs Telum 2 n'est pas connu, il est supposé être plus flexible. ==Le réseau d'interconnexion entre cœurs== Les CPU multicœurs connectent plusieurs cœurs entre eux, tout comme les systèmes multi-processeurs connectent plusieurs processeurs entre eux. Mais les transferts de données entre cœurs se font par l'intermédiaire des caches, ce qui fait que l'implémentation est différente de celle utilisée sur les systèmes multi-processeurs. Les standards pour les interconnexions entre coeurs sont assez proches de ceux utilisés pour interconnecter des processeurs, mais les standards utilisés ne sont pas les mêmes en pratique. Là encore, les cœurs sont connectés entre eux soit par un bus, soit par un réseau d'interconnexion. ===Le bus partagé entre plusieurs cœurs=== Une solution simple relie les cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Le cas le plus simple est celui où chaque cœur dispose de caches dédiés, qui sont alors tous reliés au bus mémoire, qui sert d'intermédiaire. Mais l'idée doit être adaptée sur les processeurs multicœurs avec des caches partagés. Voyons d'abord le cas d'un CPU avec deux niveaux de cache, dont un cache L2 est partagé entre tous les cœurs. Les caches L1 sont reliés au cache L2 partagé par un bus, qui n'a souvent pas de nom. Nous désignerons le bus entre le cache L1 et le cache L2 : '''bus partagé''', sous-entendu partagé entre tous les caches. C'est lui qui sert à connecter les cœurs entre eux. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2]] Un processeur multicœur typique a une architecture avec trois niveaux de cache (L1, L2 et L3), avec un niveau L1 dédié par cœur, un niveau L2 partiellement partagé et un L3 totalement partagé. Le bus partagé est alors difficile à décrire, mais il correspond à l'ensemble des bus qui connectent les caches L1 aux caches L2, et les caches L2 au cache L3. Il s'agit alors d'un ensemble de bus, plus que d'un bus partagé unique. L'usage d'un bus partagé a cependant de nombreux défauts dont nous parlerons en détail du bus partagé dans le chapitre sur la cohérence des caches. ===Le réseau d'interconnexion entre plusieurs cœurs=== Relier plusieurs cœurs avec des bus pose de nombreux problèmes techniques qui sont d'autant plus problématiques que le nombre de cœurs augmente. Le câblage est notamment très complexe, les contraintes électriques pour la transmission des signaux sont beaucoup plus fortes, les problèmes d'arbitrages se font plus fréquents, etc. Pour régler ces problèmes, les processeurs multicoeurs n'utilisent pas de bus partagé, mais un réseau d'interconnexion plus complexe. Le réseau d'interconnexion peut être très complexe, avec des connexions réseau, des commutateurs, et des protocoles d'échanges entre processeurs assez complexes basés sur du passage de messages. De telles puces utilisent un '''réseau sur puce''' (''network on chip''). Mais d'autres simplifient le réseau d'interconnexion, qui se résume à un réseau ''crossbar'', voire à des mémoires FIFO pour faire l'interface entre les cœurs. Le problème principal des réseaux sur puce est que les mémoires FIFOs sont difficiles à implémenter sur une puce de silicium. Elles prennent beaucoup de place, utilisent beaucoup de portes logiques, consomment beaucoup d'énergie, sont difficiles à concevoir pour diverses raisons (les accès concurrents/simultanés sont fréquents et font mauvais ménage avec les ''timings'' serrés de quelques cycles d'horloges requis). Il est donc impossible de placer beaucoup de mémoires FIFO dans un processeur, ce qui fait que les commutateur sont réduits à leur strict minimum : un réseau d'interconnexion, un système d'arbitrage simple parfois sans aucune FIFO, guère plus. ===Les architectures en ''tile''=== Un cas particulier de réseau sur puce est celui des '''architectures en ''tile''''', des architectures avec un grand nombre de cœurs, connectés les unes aux autres par un réseau d'interconnexion "rectangulaire". Chaque cœur est associé à un commutateur (''switch'') qui le connecte au réseau d'interconnexion, l'ensemble formant une ''tile''. [[File:Tile64-Tile.svg|centre|vignette|upright=1.5|''Tile'' de base du Tile64.]] Le réseau est souvent organisé en tableau, chaque ''tile'' étant connectée à plusieurs voisines. Dans le cas le plus fréquent, chaque ''tile'' est connectée à quatre voisines : celle du dessus, celle du dessous, celle de gauche et celle de droite. Précisons que cette architecture n'est pas une architecture distribuée dont tous les processeurs seraient placés sur la même puce de silicium. En effet, la comparaison ne marche pas pour ce qui est de la mémoire : tous les cœurs accèdent à une mémoire partagée située en dehors de la puce de silicium. Le réseau ne connecte pas plusieurs ordinateurs séparés avec chacun leur propre mémoire, mais plusieurs cœurs qui accèdent à une mémoire partagée. Un bon exemple d'architecture en ''tile'' serait les déclinaisons de l'architecture Tilera. Les schémas du-dessous montrent l'architecture du processeur Tile 64. Outre les ''tiles'', qui sont les éléments de calcul de l'architecture, on trouve plusieurs contrôleurs mémoire DDR, divers interfaces réseau, des interfaces série et parallèles, et d'autres entrées-sorties. [[File:Tile64.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture Tile64 du Tilera.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=Les architectures parallèles | prevText=Les architectures parallèles | next=Architectures multithreadées et Hyperthreading | nextText=Architectures multithreadées et Hyperthreading }} </noinclude> 9xgbfghk2eolz9eswun1w7fajughig4 762433 762432 2026-03-28T14:21:42Z Mewtow 31375 /* Le réseau d'interconnexion entre plusieurs cœurs */ 762433 wikitext text/x-wiki Pour réellement tirer parti du parallélisme de taches, rien ne vaut l'utilisation de plusieurs processeurs et/ou de plusieurs ordinateurs, qui exécutent chacun un ou plusieurs programmes dans leur coin. Si utiliser plusieurs ordinateurs connectés par un réseau local est une solution simple et facile à implémenter, elle est cependant assez onéreuse et demande des logiciels adaptés qui permettent de profiter d'une telle architecture matérielle. D'autres solutions multiprocesseurs ont alors vu le jour pour rendre l'usage de plusieurs processeurs plus adéquat. ==Les systèmes multiprocesseur== Les '''systèmes multiprocesseur''' placent plusieurs processeurs sur la même carte mère. Ils sont courants dans les serveurs ou les ''data centers'', mais sont beaucoup plus rares pour les ordinateurs grand public. Il y a eu quelques systèmes multiprocesseur vendus au grand public dans les années 2000, certaines cartes mères avaient deux sockets pour mettre deux processeurs. Mais les logiciels et les systèmes d'exploitation grand public n'étaient pas adaptés pour, la demande pour des ordinateurs multiprocesseurs était limitée à quelques professionnels et ne justifiait pas un investissement majeur dans ces technologies. Au final, le gain était assez faible en terme de performance, peu de logiciels grand public profitaient de l'usage de plusieurs processeurs, la technologie est restée confidentielle. Du moins, avant l'arrivée des processeurs multicœur, après 2005. ===Le réseau d'interconnexion inter-processeur=== Les cartes mères multi-processeurs incorporent un réseau d'interconnexion pour connecter les processeurs à la mémoire RAM, au reste de l'ordinateur, et aussi pour les connecter entre eux. Il s'agit d'un '''réseau d'interconnexion inter-processeur''', placé sur la carte mère. Les processeurs sont tous connectés en utilisant deux solutions : soit avec un bus, soit avec un réseau d'interconnexion très complexe. Une solution simple relie les processeurs/cœurs entre eux grâce au bus mémoire. Le réseau d'interconnexion est donc un bus, partagé avec tous les processeurs. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multiprocesseurs à bus partagé]] Le bus mémoire est donc un '''bus partagé''', avec tout ce que cela implique. Les processeurs doivent se répartir l'accès au bus mémoire, il faut gérer le cas où deux processeurs accèdent au bus en même temps, etc. Pour cela, un composant dédié s'occupe de l'arbitrage entre processeurs. Il est généralement placé sur la carte mère de l'ordinateur, dans le ''chipset'', dans le pont nord, ou un endroit proche. [[File:Intel486 System Arbitration.png|centre|vignette|upright=2|Système avec deux Intel486 - Arbitrage du bus mémoire.]] De nos jours, les cartes mères pour serveur n'utilisent plus de bus partagé, mais utilisent un réseau d'interconnexion plus élaboré. Le réseau en question est un vrai réseau, qui peut être un réseau en anneau, un réseau crossbar, un réseau routé, etc. Le réseau d'interconnexion relie entre eux les cœurs, l'interface avec la mémoire RAM, le cache partagé L3/L4, mais aussi le bus PCI-Express, le GPU et quelques autres circuits séparés. [[File:Architecture multicoeurs et réseau sur puce.png|centre|vignette|upright=1.5|Architecture multicoeurs et réseau sur puce]] Les systèmes multi-processeurs modernes utilisent des réseaux d'interconnexion standardisés, les standards les plus communs étant l'HyperTransport, l'Intel QuickPath Interconnect, l'IBM Elastic Interface, le Intel Ultra Path Interconnect, l'Infinity Fabric, etc. Ils remplacent le fameux ''front-side bus'' des tout premiers processeurs multicœurs. ===Les interruptions inter-processeurs=== Les différents processeurs sont gérés par le système d'exploitation de l'ordinateur, avec l'aide d''''interruptions inter-processeurs''', des interruptions déclenchées sur un processeur et exécutées sur un autre, éventuellement par tous les autres pour certaines interruptions spécifiques. Pour générer des interruptions inter-processeur, le contrôleur d'interruption doit pouvoir rediriger des interruptions déclenchées par un processeur vers un autre. Un exemple d'implémentation très simple est celui de la console Néo-géo, qui contenait deux processeurs. Le premier est un Motorola 68000 qui sert de processeur principal, l'autre est un Z80 qui sert de processeur dédié à l'audio. Le Z80 commande un synthétiseur sonore, et est relié à sa propre mémoire, distincte de la mémoire principale. Le MC68000 est le processeur principal et a une relation maitre-esclave avec le Z80 : le MC68000 envoie des interruptions au Z80, mais la communication ne va pas dans l'autre sens. Les deux processeurs communiquent via l'intermédiaire d'un '''''IO arbiter chip''''', un circuit sur la carte mère connecté au bus, qui gère les interruptions inter-processeur. Il contient un registre de 8 bits, dans lequel le MC68000 peut écrire dedans à sa guise, le registre étant adressable par le processeur. Les valeurs écrites dans ce registre sont des numéros d'interruption, qui indiquent quelle routine d'interruption exécuter. Lorsque le MC68000 écrit une valeur dedans, cela déclenche l’exécution automatique d'une interruption sur le Z80. Le code de 8 bits est envoyé au processeur Z80, en parallèle de l'interruption. : Il est possible de voir ce ''IO arbiter chip'' comme un contrôleur d'interruptions spécialisé dans les interruptions inter-processeur. Les anciens PC incorporaient sur leur carte mère un contrôleur d'interruption créé par Intel, le 8259A, qui ne gérait pas les interruptions inter-processeurs. Les cartes mères multiprocesseurs devaient incorporer un contrôleur spécial en complément. De nos jours, chaque cœur x86 possède son propre contrôleur d’interruption, le local APIC, qui gère les interruptions en provenance ou arrivant vers ce processeur. On trouve aussi un IO-APIC, qui gère les interruptions en provenance des périphériques et de les redistribuer vers les APIC locaux. L'IO-APIC gère aussi les interruptions inter-processeurs en faisant passer les interruptions d'un local APIC vers un autre. Tous les APIC locaux et l'IO-APIC sont reliés ensembles par un bus APIC spécialisé, par lequel ils vont pouvoir communiquer et s'échanger des demandes d'interruptions. [[File:Contrôleurs d'interrptions sur systèmes x86 multicoeurs.png|centre|vignette|upright=1.5|Contrôleurs d’interruptions sur systèmes x86 multicœurs.]] On peut préciser le processeur de destination en configurant certains registres du IO-APIC, afin que celui-ci redirige la demande d'interruption d'un local APIC vers celui sélectionné. Cela se fait avec l'aide d'un registre de 64 bits nommé l'''Interrupt Command Register''. Pour simplifier le mécanisme complet, chaque processeur se voit attribuer un Id au démarrage qui permet de l'identifier (en fait, cet Id est attribué au local APIC de chaque processeur). Certains bits de ce registre permettent de préciser quel est le type de transfert : doit-on envoyer l'interruption au processeur émetteur, à tous les autres processeurs, à un processeur particulier. Dans le dernier cas, certains bits du registre permettent de préciser l'Id du processeur qui va devoir recevoir l'interruption. À charge de l'APIC de faire ce qu'il faut en fonction du contenu de ce registre. ==Les processeurs multicœurs== Puis, avec les progrès en matière de miniaturisation des processeurs, les fabricants ont eu l'idée d'utiliser les transistors qu'ils avaient pour fabriquer des '''processeurs multicœurs''', un terme que vous avez peut-être déjà entendu sans vraiment comprendre ce qu'il signifiait réellement. Les processeurs multicœurs peuvent être vus comme un regroupement de plusieurs processeurs sur la même puce de silicium. Pour être plus précis, ils contiennent plusieurs ''cœurs'', chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, que ce soit un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœurs, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. Dans ce qui suit, nous utiliserons le terme cœurs pour désigner soit les cœurs d'un processeur multicœurs, soit les différents processeurs d'un ordinateur multiprocesseur. Tout le contenu de ce chapitre vaut aussi bien pour les systèmes multicœurs que multiprocesseur. Les différences entre les deux sont mineures, les deux font face aux mêmes problèmes, les mêmes solutions peuvent s'appliquer sur les deux types de systèmes. ===Le multicœurs symétrique ou asymétrique=== Dans la grosse majorité des cas, les cœurs d'un processeur multicœurs sont tous identiques. Mais ce n'est certainement pas une obligation et on peut très bien mettre plusieurs cœurs assez différents sur la même puce. On peut par exemple utiliser un cœur principal avec des cœurs plus spécialisés autour. Il faut ainsi distinguer le '''multicœurs symétrique''', dans lequel on place des processeurs identiques sur la même puce de silicium, du '''multicœurs asymétrique''' où les cœurs ne sont pas identiques. Un exemple est celui du processeur CELL de la console de jeu PS3. Il intègre un cœur principal POWER PC v5 et 8 coeurs qui servent de processeurs auxiliaires. Le processeur principal est appelé le PPE et les processeurs auxiliaires sont les SPE. Les SPE sont reliés à une mémoire locale (''local store'') de 256 kibioctets qui communique avec le processeur principal via un bus spécial. Les SPE communiquent avec la RAM principale via des contrôleurs DMA. Les SPE possèdent des instructions permettant de commander leur contrôleur DMA et c'est le seul moyen qu'ils ont pour récupérer des informations depuis la mémoire. Et c'est au programmeur de gérer tout ça ! C'est le processeur principal qui va envoyer aux SPE les programmes qu'ils doivent exécuter. Il délègue des calculs aux SPE en écrivant dans le local store du SPE et en lui ordonnant l’exécution du programme qu'il vient d'écrire. [[File:Schema Cell.png|centre|vignette|upright=2|Architecture du processeur CELL de la PS3. Le PPE est le processeur principal, les SPE sont des processeurs auxiliaires qui comprennent : un ''local store'' noté LS, un processeur noté SXU, et un contrôleur DMA pour échanger des informations avec la mémoire principale.]] ===Les architectures à cœurs conjoints=== Sur certains processeurs multicœurs, certains circuits sont partagés entre plusieurs cœurs. Typiquement, l'unité de calcul flottante est partagée entre deux coeurs/''threads'', les unités SIMD qu'on verra dans quelques chapitres sont aussi dans ce cas. Le partage de circuits permet d'éviter de dupliquer trop de circuits et donc d'économiser des transistors. Le problème est que ce partage est source de dépendances structurelles, ce qui peut entraîner des pertes de performances. Cette technique consistant de partage d'unités de calcul entre coeurs s'appelle le '''cluster multithreading''', ou encore les '''architectures à cœurs conjoints''' (''Conjoined Core Architectures''). Elle est notamment utilisée sur les processeurs AMD de microarchitecture Bulldozer, incluant ses trois révisions ultérieures nommées Piledriver, Steamroller et Excavator. Un exemple est celui des processeurs AMD FX-8150 et FX-8120. Sur ces processeurs, les instructions sont chargées dans deux files d'instructions séparées, une par ''thread'' matériel. Les instructions sont ensuite décodées par un décodeur unique et renommées dans une unité de renommage unique. Par la suite, il y a deux voies entières séparées et une voie flottante partagée. Chaque voie entière a sa propre fenêtre d'instruction entière, son tampon de ré-ordonnancement, ses unités de calcul dédiées, ses registres, sa ''load-store queue'', son cache L1. Par contre, la voie flottante partage les unités de calcul flottantes et n'a qu'une seule fenêtre d'instruction partagée par les deux ''threads''. [[File:AMD Bulldozer microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Bulldozer d'AMD.]] La révision Steamroller sépara le ''front-end'' en deux voies distinctes, une par ''thread''. Concrètement, elle ajouta un second décodeur d'instruction, une seconde file de micro-opération et une seconde unité de renommage de registres, afin d'améliorer les performances. Niveaux optimisations mineures, les stations de réservation ont été augmentées, elles peuvent mémoriser plus de micro-opérations, idem pour les bancs de registre et les files de lecture/écriture. Un cache de micro-opérations a été ajouté, de même que des optimisations quant au renommage de registre. Des ALU ont aussi été ajoutées, des FPU retirées. [[File:AMD excavator microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Excavator d'AMD.]] ===Les architectures ''many core''=== Les architectures ''many core'' ont un très grand nombre de cœurs, plus d'une cinquantaine, voire plusieurs centaines ou milliers. La différence est surtout une question de degré, mais aussi de but recherché. Les architectures multicœurs sont surtout conçues pour les ordinateurs personnels, éventuellement les serveurs. Elles recherchent un bon compromis entre un grand nombre de cœurs, et une bonne performance pour les programmes non-parallèles. En clair, elles évitent de sacrifier les performances pour les applications non-parallèles, ce qui fait que leurs cœurs sont généralement très puissants, avec beaucoup d'optimisations micro-architecturales. Les architectures ''many core'' font le compromis inverse : elles ont beaucoup de cœurs, mais ceux-ci ne sont pas très puissants, surtout pour les applications non-parallèles. Les cœurs des architectures ''many core'' sont généralement des cœurs sans exécution dans le désordre, sans prédiction de branchements, sans renommage de registres, voire sans pipeline ni parallélisme d'instruction. ==Le partage des caches== Quand on conçoit un processeur multicœur, il ne faut pas oublier ce qui arrive à la pièce maîtresse de tout processeur actuel : le cache ! Pour le moment nous allons oublier le fait que les processeurs ont une hiérarchie de caches, avec des caches L1, L2, L3 et autres. Nous allons partir du principe qu'un processeur simple cœur a un seul cache, et voir comment adapter le cache à la présence de plusieurs cœurs. Nous allons rapidement lever cette hypothèse, pour étudier le cas où un processeur multicœur a une hiérarchie de caches, mais seulement après avoir vu le cas le plus simple à un seul cache. ===Le partage des caches sans hiérarchie de caches : caches dédiés et partagés=== Avec un seul niveau de cache, sans hiérarchie, deux solutions sont possibles. La première consiste à garder un seul cache, et de le partager entre les cœurs. L'autre solution est de dupliquer le cache et d'utiliser un cache par cœur. Les deux solutions sont appelées différemment. On parle de '''caches dédiés''' si chaque cœur possède son propre cache, et de '''cache partagé''' avec un cache partagé entre tous les cœurs. Ces deux méthodes ont des inconvénients et des avantages. {| |[[File:Caches dédiés.png|vignette|Caches dédiés]] |[[File:Caches partagés.png|vignette|Cache partagé]] |} Le premier point sur lequel comparer caches dédiés et partagés est celui de la capacité du cache. La quantité de mémoire cache que l'on peut placer dans un processeur est limitée, car le cache prend beaucoup de place, près de la moitié des circuits du processeur. Aussi, un processeur incorpore une certaine quantité de mémoire cache, qu'il faut répartir entre un ou plusieurs caches. Les caches dédiés et partagés ne donnent pas le même résultat. D'un côté, le cache partagé fait que toute la mémoire cache est dédiée au cache partagé, qui est très gros. De l'autre, on doit répartir la capacité du cache entre plusieurs caches séparés, individuellement plus petits. En conséquence, on a le choix entre un petit cache pour chaque processeur ou un gros cache partagé. Le choix entre les deux n'est pas simple, mais doit tenir compte du fait que les programmes exécutés sur les cœurs n'ont pas les mêmes besoins. Certains programmes sont plus gourmands et demandent beaucoup de cache, alors que d'autres utilisent peu la mémoire cache. Avec un cache dédié, tous les programmes ont accès à la même quantité de cache, car les caches des différents cœurs sont de la même taille. Les caches dédiés étant assez petits, les programmes plus gourmands devront se débrouiller avec un petit cache, alors que les autres programmes auront du cache en trop. À l'opposé, un cache partagé répartit le cache de manière optimale : un programme gourmand peut utiliser autant de cache qu'il veut, laissant juste ce qu'il faut aux programmes moins gourmands. le cache peut être répartit plus facilement selon les besoins des différents programmes. [[File:Cache partagé contre cache dédié.png|centre|vignette|upright=2.5|Cache partagé contre cache dédié]] Un autre avantage des caches partagés est quand plusieurs cœurs accèdent aux même données. C'est un cas très courant, souvent lié à l'usage de mémoire partagé ou de ''threads''. Avec des caches dédiés, chaque cœur a une copie des données partagées. Mais avec un cache partagé, il n'y a qu'une seule copie de chaque donnée, ce qui utilise moins de mémoire cache. Imaginons que l'on sait 8 caches dédiés de 8 Kibioctets, soit 64 kibioctets au total, comparé à un cache partagé de même capacité totale. Les doublons dans les caches dédiés réduiront la capacité mémoire utile, effective, comparé à un cache partagé. S'il y a 1 Kibioctet de mémoire partagé, 8 kibioctets seront utilisés pour stocker ces données en doublons, seulement 1 kibioctet sur un cache partagé. Ajoutons aussi que la cohérence des caches est grandement simplifiée avec l'usage d'un cache partagé, vu que les données ne sont pas dupliquées dans plusieurs caches. Mais le partage du cache peut se transformer en inconvénient si les programmes entrent en compétition pour le cache, que ce soit pour y placer des données ou pour les accès mémoire. Deux programmes peuvent vouloir accéder au cache en même temps, voire carrément se marcher sur les pieds. La résolution des conflits d'accès au cache est résolu soit en prenant un cache multiport, avec un port dédié par cœur, soit par des mécanismes d'arbitrages avec des circuits dédiés. Le revers de la médaille tient au temps de latence. Plus un cache est gros, plus il est lent. En conséquence, des caches dédiés seront plus rapides qu'un gros cache partagé plus lent. ===Le partage des caches adapté à une hiérarchie de caches=== Dans la réalité, un processeur multicœur ne contient pas qu'un seul cache, mais une hiérarchie de caches avec des caches L1, L2 et L3, parfois L4. Dans cette hiérarchie, certains caches sont partagés entre plusieurs cœurs, les autres sont dédiés. Le cache L1 n'est jamais partagé, car il doit avoir un temps d'accès très faible. Pour les autres caches, tout dépend du processeur. [[File:Dual Core Generic.svg|vignette|Cache L2 partagé.]] Les premiers processeurs multicœurs commerciaux utilisaient deux niveaux de cache : des caches L1 dédiés et un cache L2 partagé. Le cache L2 partagé était relié aux caches L1, grâce à un système assez complexe d'interconnexions. Le cache de niveau L2 était souvent simple port, car les caches L1 se chargent de filtrer les accès aux caches de niveau inférieurs. Les processeurs multicœurs modernes ont des caches L3 et même L4, de grande capacité, ce qui a modifié le partage des caches. Le cache de dernier niveau, à savoir le cache le plus proche de la mémoire, est systématiquement partagé, car son rôle est d'être un cache lent mais gros. Il s'agit le plus souvent d'un cache de L3, plus rarement L4. Sur certains processeurs multicœurs, le cache de dernier niveau n'est techniquement pas dans le cœur, mais fait partie d'un ensemble de circuits reliés, comme le contrôleur mémoire ou l'interface mémoire. Il fonctionne à une fréquence différente du processeur, n'a pas la même tension d'alimentation, etc. Le cas du cache L2 dépend des architectures : il est partagé sur certains processeurs, dédié sur d'autres. Mais sur les processeurs modernes, c'est un cache dédié soit par cœur, soit pour un groupe de cœurs. Dans le cas le plus courant, chaque cache L2 est partagé entre plusieurs cœurs mais pas à tous. En effet, on peut limiter le partage du cache à quelques cœurs particuliers pour des raisons de performances. [[File:Partage des caches sur un processeur multicoeurs.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur multicœur.]] D'autres processeurs ont des caches L2 dédiés. Il s'agit surtout des processeurs multicœurs anciens, parmi les premières générations de processeurs multicœurs. Un exemple est celui de la microarchitecture Nehalem d'Intel. Il avait des caches L1 et L2 dédiés, mais un cache L3 partagé. [[File:Nehalem EP.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur Intel d'architecture Nehalem.]] ===Les caches partagés centralisés et distribués=== Un point important est que quand on parle de cache partagé ou de cache dédié, on ne parle que de la manière dont les cœurs peuvent accéder au cache, pas de la manière dont le caches est réellement localisé sur la puce. En théorie, qui dit plusieurs caches dédiés signifie que l'on a vraiment plusieurs caches séparés sur la puce. Et chaque cache dédié est proche du cœur qui lui est attribué. Et pour les caches partagés unique, une portion de la puce de silicium contient le cache, que cette portion est un énorme bloc de transistors. Il est généralement placé au milieu de la puce ou sur un côté, histoire de facilement le connecter à tous les cœurs. Mais pour les caches séparés, ce n'est pas toujours le cas. Avoir un cache énorme poserait des problèmes sur les architectures avec beaucoup de cœurs. En réalité, le cache est souvent découpé en plusieurs banques, reliées à un contrôleur du cache par un système d'interconnexion assez complexe. Les banques sont physiquement séparées, et il arrive qu'elles soient placées proche d'un cœur chacune. L'organisation des banques ressemble beaucoup à l'organisation des caches dédiés, avec une banque étant l'équivalent d'un cache dédié. La différence est que les cœurs peuvent lire et écrire dans toutes les banques, grâce au système d'interconnexion et au contrôleur de cache. Tel était le cas sur les processeurs AMD Jaguar. Ils avaient un cache L2 de 2 mébioctets, partagés entre tous les cœurs, qui était composé de 4 banques de 512 Kibioctets. Les quatre banques du cache étaient reliées aux 4 cœurs par un réseaux d'interconnexion assez complexe. [[File:AMDJaguarModule.png|centre|vignette|upright=2|AMD Jaguar Module]] La différence entre les deux solutions pour les caches partagés porte le nom de cache centralisés versus distribués. Un gros cache unique sur la puce est un '''cache centralisé''', et c'est généralement un cache partagé. Mais un cache composé de plusieurs banques dispersées sur la puce est un '''cache distribué''', qui peut être aussi bien dédié que partagé. ===Les caches virtualisés=== Il faut noter que quelques processeurs utilisent cette technique pour fusionnent le cache L2 et le cache L3. Par exemple, les processeurs IBM Telum utilisent des caches L3 virtualisés, dans leurs versions récentes. Le processeur Telum 2 contient 10 caches L2 de 36 mébioctets chacun, soit 360 mébioctets de cache. L'idée est que ces 360 mébioctets sont partagés à la demande entre cache L2 dédié et cache L3. On parle alors de '''cache virtualisé'''. Un cache de 36 mébioctet est associé à un cœur, auquel il est directement relié. Les cœurs n'utilisent pas tous leur cache dédié à 100% Il arrive que des cœurs aient des caches partiellement vides, alors que d'autres on un cache qui déborde. L'idée est que si un cœur a un cache plein, les données évincées du cache L2 privé sont déplacées dans le cache L2 d'un autre cœur, qui lui est partiellement vide. Le cache L2 en question est alors partitionné en deux : une portion pour les données associée à son cœur, une portion pour les données des L2 des autres cœurs. Pour que la technique fonctionne, le processeur mesure le remplissage de chaque cache L2. De plus, il faut gérer la politique de remplacement des lignes de cache. Une ligne de cache évincée du cache doit être déplacé dans un autre L2, pas dans les niveaux de cache inférieur, ni dans la mémoire. Du moins, tant qu'il reste de la place dans le cache L3. De plus, une lecture/écriture dans le cache L3 demande de localiser le cache L2 contenant la donnée. Pour cela, les caches L2 sont tous consultés lors d'un accès au L3, c'est la solution la plus simple, elle marche très bien si le taux de défaut du cache L2 est faible. Une telle optimisation ressemble beaucoup à un cache L2/L3 distribué, mais il y a quelques différences qui sont décrites dans le paragraphe précédent. Avec un L2 distribué, tout accès au L2 déclencherait une consultation de toutes les banques du L2. Avec un cache L3 virtualisé, ce n'est pas le cas. Le cache L2 associé au cœur est consulté, et c'est seulement en cas de défaut de cache que les autres caches L2 sont consultés. De plus, avec un cache L2 distribué, il n'y a pas de déplacement d'une ligne de cache entre deux banques, entre deux caches L2 physiques. Alors qu'avec un cache L3 virtualisé, c'est le cas en cas de remplacement d'une ligne de cache dans le cache L2. Sur le processeur Telum 1, le partage du cache L2 est assez simple. Un cache L2 fait 32 mébioctets et est découpé en deux banques de 16 mébioctets. En temps normal, les premiers 16 mébioctets sont toujours associé au cache L2, au cœur associé. Les 16 mébioctets restants peuvent soit être attribués au cache L3, soit fusionnés avec les 16 premiers mébioctets. Dans le cas où le cœur associé est en veille, n'est absolument pas utilisé, les 32 mébioctets sont attribués au cache L3. Un partage assez simple, donc. Le partage du cache L2/L3 sur les processeurs Telum 2 n'est pas connu, il est supposé être plus flexible. ==Le réseau d'interconnexion entre cœurs== Les CPU multicœurs connectent plusieurs cœurs entre eux, tout comme les systèmes multi-processeurs connectent plusieurs processeurs entre eux. Mais les transferts de données entre cœurs se font par l'intermédiaire des caches, ce qui fait que l'implémentation est différente de celle utilisée sur les systèmes multi-processeurs. Les standards pour les interconnexions entre coeurs sont assez proches de ceux utilisés pour interconnecter des processeurs, mais les standards utilisés ne sont pas les mêmes en pratique. Là encore, les cœurs sont connectés entre eux soit par un bus, soit par un réseau d'interconnexion. ===Le bus partagé entre plusieurs cœurs=== Une solution simple relie les cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Le cas le plus simple est celui où chaque cœur dispose de caches dédiés, qui sont alors tous reliés au bus mémoire, qui sert d'intermédiaire. Mais l'idée doit être adaptée sur les processeurs multicœurs avec des caches partagés. Voyons d'abord le cas d'un CPU avec deux niveaux de cache, dont un cache L2 est partagé entre tous les cœurs. Les caches L1 sont reliés au cache L2 partagé par un bus, qui n'a souvent pas de nom. Nous désignerons le bus entre le cache L1 et le cache L2 : '''bus partagé''', sous-entendu partagé entre tous les caches. C'est lui qui sert à connecter les cœurs entre eux. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2]] Un processeur multicœur typique a une architecture avec trois niveaux de cache (L1, L2 et L3), avec un niveau L1 dédié par cœur, un niveau L2 partiellement partagé et un L3 totalement partagé. Le bus partagé est alors difficile à décrire, mais il correspond à l'ensemble des bus qui connectent les caches L1 aux caches L2, et les caches L2 au cache L3. Il s'agit alors d'un ensemble de bus, plus que d'un bus partagé unique. L'usage d'un bus partagé a cependant de nombreux défauts dont nous parlerons en détail du bus partagé dans le chapitre sur la cohérence des caches. ===Le réseau d'interconnexion entre plusieurs cœurs=== Relier plusieurs cœurs avec des bus pose de nombreux problèmes techniques qui sont d'autant plus problématiques que le nombre de cœurs augmente. Le câblage est notamment très complexe, les contraintes électriques pour la transmission des signaux sont beaucoup plus fortes, les problèmes d'arbitrages se font plus fréquents, etc. Pour régler ces problèmes, les processeurs multicoeurs n'utilisent pas de bus partagé, mais un réseau d'interconnexion plus complexe. Un exemple de réseau d'interconnexion est celui des architectures AMD EPYC, de microarchitecture Zen 1. Elles utilisaient des chiplets, à savoir que le processeur était composé de plusieurs puces interconnectées entre elles. Chaque puce contenait un processeur multicoeurs intégrant un cache L3, avec un réseau d'interconnexion interne au processeur sans doute basé sur un ensemble de bus. De plus, les puces étaient reliées à une puce d'interconnexion qui servait à la fois d'interface entre les processeurs, mais aussi d'interface avec la R1AM, le bus PCI-Express, etc. La puce d'interconnexion était gravée en 14 nm contre 7nm pour les chiplets des cœurs. {| |[[File:AMD Epyc 7702 delidded.jpg|centre|vignette|upright=2|AMD Epyc 7702.]] |[[File:AMD Epyc Rome Aufbau.png|centre|vignette|upright=2|Schéma fonctionnel de l'AMD Epyc.]] |} Le réseau d'interconnexion peut être très complexe, avec des connexions réseau, des commutateurs, et des protocoles d'échanges entre processeurs assez complexes basés sur du passage de messages. De telles puces utilisent un '''réseau sur puce''' (''network on chip''). Mais d'autres simplifient le réseau d'interconnexion, qui se résume à un réseau ''crossbar'', voire à des mémoires FIFO pour faire l'interface entre les cœurs. Le problème principal des réseaux sur puce est que les mémoires FIFOs sont difficiles à implémenter sur une puce de silicium. Elles prennent beaucoup de place, utilisent beaucoup de portes logiques, consomment beaucoup d'énergie, sont difficiles à concevoir pour diverses raisons (les accès concurrents/simultanés sont fréquents et font mauvais ménage avec les ''timings'' serrés de quelques cycles d'horloges requis). Il est donc impossible de placer beaucoup de mémoires FIFO dans un processeur, ce qui fait que les commutateur sont réduits à leur strict minimum : un réseau d'interconnexion, un système d'arbitrage simple parfois sans aucune FIFO, guère plus. ===Les architectures en ''tile''=== Un cas particulier de réseau sur puce est celui des '''architectures en ''tile''''', des architectures avec un grand nombre de cœurs, connectés les unes aux autres par un réseau d'interconnexion "rectangulaire". Chaque cœur est associé à un commutateur (''switch'') qui le connecte au réseau d'interconnexion, l'ensemble formant une ''tile''. [[File:Tile64-Tile.svg|centre|vignette|upright=1.5|''Tile'' de base du Tile64.]] Le réseau est souvent organisé en tableau, chaque ''tile'' étant connectée à plusieurs voisines. Dans le cas le plus fréquent, chaque ''tile'' est connectée à quatre voisines : celle du dessus, celle du dessous, celle de gauche et celle de droite. Précisons que cette architecture n'est pas une architecture distribuée dont tous les processeurs seraient placés sur la même puce de silicium. En effet, la comparaison ne marche pas pour ce qui est de la mémoire : tous les cœurs accèdent à une mémoire partagée située en dehors de la puce de silicium. Le réseau ne connecte pas plusieurs ordinateurs séparés avec chacun leur propre mémoire, mais plusieurs cœurs qui accèdent à une mémoire partagée. Un bon exemple d'architecture en ''tile'' serait les déclinaisons de l'architecture Tilera. Les schémas du-dessous montrent l'architecture du processeur Tile 64. Outre les ''tiles'', qui sont les éléments de calcul de l'architecture, on trouve plusieurs contrôleurs mémoire DDR, divers interfaces réseau, des interfaces série et parallèles, et d'autres entrées-sorties. [[File:Tile64.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture Tile64 du Tilera.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=Les architectures parallèles | prevText=Les architectures parallèles | next=Architectures multithreadées et Hyperthreading | nextText=Architectures multithreadées et Hyperthreading }} </noinclude> m083zoz025ubx0wv516pn7ohnlu0vw7 762434 762433 2026-03-28T14:22:41Z Mewtow 31375 /* Les systèmes multiprocesseur */ 762434 wikitext text/x-wiki Pour réellement tirer parti du parallélisme de taches, rien ne vaut l'utilisation de plusieurs processeurs et/ou de plusieurs ordinateurs, qui exécutent chacun un ou plusieurs programmes dans leur coin. Si utiliser plusieurs ordinateurs connectés par un réseau local est une solution simple et facile à implémenter, elle est cependant assez onéreuse et demande des logiciels adaptés qui permettent de profiter d'une telle architecture matérielle. D'autres solutions multiprocesseurs ont alors vu le jour pour rendre l'usage de plusieurs processeurs plus adéquat. ==Les systèmes multiprocesseur== Les '''systèmes multiprocesseur''' placent plusieurs processeurs sur la même carte mère. Ils sont courants dans les serveurs ou les ''data centers'', mais sont beaucoup plus rares pour les ordinateurs grand public. Il y a eu quelques systèmes multiprocesseur vendus au grand public dans les années 2000, certaines cartes mères avaient deux sockets pour mettre deux processeurs. Mais les logiciels et les systèmes d'exploitation grand public n'étaient pas adaptés pour, la demande pour des ordinateurs multiprocesseurs était limitée à quelques professionnels et ne justifiait pas un investissement majeur dans ces technologies. Au final, le gain était assez faible en terme de performance, peu de logiciels grand public profitaient de l'usage de plusieurs processeurs, la technologie est restée confidentielle. Du moins, avant l'arrivée des processeurs multicœur, après 2005. Nous allons voir les systèmes multiprocesseur à part des processeurs multicœurs. Il faut dire qu'utiliser plusieurs processeurs et avoir plusieurs cœurs sur la même puce, ce n'est pas la même chose. Particulièrement pour ce qui est de la mémoire cache. ===Le réseau d'interconnexion inter-processeur=== Les cartes mères multi-processeurs incorporent un réseau d'interconnexion pour connecter les processeurs à la mémoire RAM, au reste de l'ordinateur, et aussi pour les connecter entre eux. Il s'agit d'un '''réseau d'interconnexion inter-processeur''', placé sur la carte mère. Les processeurs sont tous connectés en utilisant deux solutions : soit avec un bus, soit avec un réseau d'interconnexion très complexe. Une solution simple relie les processeurs/cœurs entre eux grâce au bus mémoire. Le réseau d'interconnexion est donc un bus, partagé avec tous les processeurs. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multiprocesseurs à bus partagé]] Le bus mémoire est donc un '''bus partagé''', avec tout ce que cela implique. Les processeurs doivent se répartir l'accès au bus mémoire, il faut gérer le cas où deux processeurs accèdent au bus en même temps, etc. Pour cela, un composant dédié s'occupe de l'arbitrage entre processeurs. Il est généralement placé sur la carte mère de l'ordinateur, dans le ''chipset'', dans le pont nord, ou un endroit proche. [[File:Intel486 System Arbitration.png|centre|vignette|upright=2|Système avec deux Intel486 - Arbitrage du bus mémoire.]] De nos jours, les cartes mères pour serveur n'utilisent plus de bus partagé, mais utilisent un réseau d'interconnexion plus élaboré. Le réseau en question est un vrai réseau, qui peut être un réseau en anneau, un réseau crossbar, un réseau routé, etc. Le réseau d'interconnexion relie entre eux les cœurs, l'interface avec la mémoire RAM, le cache partagé L3/L4, mais aussi le bus PCI-Express, le GPU et quelques autres circuits séparés. [[File:Architecture multicoeurs et réseau sur puce.png|centre|vignette|upright=1.5|Architecture multicoeurs et réseau sur puce]] Les systèmes multi-processeurs modernes utilisent des réseaux d'interconnexion standardisés, les standards les plus communs étant l'HyperTransport, l'Intel QuickPath Interconnect, l'IBM Elastic Interface, le Intel Ultra Path Interconnect, l'Infinity Fabric, etc. Ils remplacent le fameux ''front-side bus'' des tout premiers processeurs multicœurs. ===Les interruptions inter-processeurs=== Les différents processeurs sont gérés par le système d'exploitation de l'ordinateur, avec l'aide d''''interruptions inter-processeurs''', des interruptions déclenchées sur un processeur et exécutées sur un autre, éventuellement par tous les autres pour certaines interruptions spécifiques. Pour générer des interruptions inter-processeur, le contrôleur d'interruption doit pouvoir rediriger des interruptions déclenchées par un processeur vers un autre. Un exemple d'implémentation très simple est celui de la console Néo-géo, qui contenait deux processeurs. Le premier est un Motorola 68000 qui sert de processeur principal, l'autre est un Z80 qui sert de processeur dédié à l'audio. Le Z80 commande un synthétiseur sonore, et est relié à sa propre mémoire, distincte de la mémoire principale. Le MC68000 est le processeur principal et a une relation maitre-esclave avec le Z80 : le MC68000 envoie des interruptions au Z80, mais la communication ne va pas dans l'autre sens. Les deux processeurs communiquent via l'intermédiaire d'un '''''IO arbiter chip''''', un circuit sur la carte mère connecté au bus, qui gère les interruptions inter-processeur. Il contient un registre de 8 bits, dans lequel le MC68000 peut écrire dedans à sa guise, le registre étant adressable par le processeur. Les valeurs écrites dans ce registre sont des numéros d'interruption, qui indiquent quelle routine d'interruption exécuter. Lorsque le MC68000 écrit une valeur dedans, cela déclenche l’exécution automatique d'une interruption sur le Z80. Le code de 8 bits est envoyé au processeur Z80, en parallèle de l'interruption. : Il est possible de voir ce ''IO arbiter chip'' comme un contrôleur d'interruptions spécialisé dans les interruptions inter-processeur. Les anciens PC incorporaient sur leur carte mère un contrôleur d'interruption créé par Intel, le 8259A, qui ne gérait pas les interruptions inter-processeurs. Les cartes mères multiprocesseurs devaient incorporer un contrôleur spécial en complément. De nos jours, chaque cœur x86 possède son propre contrôleur d’interruption, le local APIC, qui gère les interruptions en provenance ou arrivant vers ce processeur. On trouve aussi un IO-APIC, qui gère les interruptions en provenance des périphériques et de les redistribuer vers les APIC locaux. L'IO-APIC gère aussi les interruptions inter-processeurs en faisant passer les interruptions d'un local APIC vers un autre. Tous les APIC locaux et l'IO-APIC sont reliés ensembles par un bus APIC spécialisé, par lequel ils vont pouvoir communiquer et s'échanger des demandes d'interruptions. [[File:Contrôleurs d'interrptions sur systèmes x86 multicoeurs.png|centre|vignette|upright=1.5|Contrôleurs d’interruptions sur systèmes x86 multicœurs.]] On peut préciser le processeur de destination en configurant certains registres du IO-APIC, afin que celui-ci redirige la demande d'interruption d'un local APIC vers celui sélectionné. Cela se fait avec l'aide d'un registre de 64 bits nommé l'''Interrupt Command Register''. Pour simplifier le mécanisme complet, chaque processeur se voit attribuer un Id au démarrage qui permet de l'identifier (en fait, cet Id est attribué au local APIC de chaque processeur). Certains bits de ce registre permettent de préciser quel est le type de transfert : doit-on envoyer l'interruption au processeur émetteur, à tous les autres processeurs, à un processeur particulier. Dans le dernier cas, certains bits du registre permettent de préciser l'Id du processeur qui va devoir recevoir l'interruption. À charge de l'APIC de faire ce qu'il faut en fonction du contenu de ce registre. ==Les processeurs multicœurs== Puis, avec les progrès en matière de miniaturisation des processeurs, les fabricants ont eu l'idée d'utiliser les transistors qu'ils avaient pour fabriquer des '''processeurs multicœurs''', un terme que vous avez peut-être déjà entendu sans vraiment comprendre ce qu'il signifiait réellement. Les processeurs multicœurs peuvent être vus comme un regroupement de plusieurs processeurs sur la même puce de silicium. Pour être plus précis, ils contiennent plusieurs ''cœurs'', chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, que ce soit un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœurs, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. Dans ce qui suit, nous utiliserons le terme cœurs pour désigner soit les cœurs d'un processeur multicœurs, soit les différents processeurs d'un ordinateur multiprocesseur. Tout le contenu de ce chapitre vaut aussi bien pour les systèmes multicœurs que multiprocesseur. Les différences entre les deux sont mineures, les deux font face aux mêmes problèmes, les mêmes solutions peuvent s'appliquer sur les deux types de systèmes. ===Le multicœurs symétrique ou asymétrique=== Dans la grosse majorité des cas, les cœurs d'un processeur multicœurs sont tous identiques. Mais ce n'est certainement pas une obligation et on peut très bien mettre plusieurs cœurs assez différents sur la même puce. On peut par exemple utiliser un cœur principal avec des cœurs plus spécialisés autour. Il faut ainsi distinguer le '''multicœurs symétrique''', dans lequel on place des processeurs identiques sur la même puce de silicium, du '''multicœurs asymétrique''' où les cœurs ne sont pas identiques. Un exemple est celui du processeur CELL de la console de jeu PS3. Il intègre un cœur principal POWER PC v5 et 8 coeurs qui servent de processeurs auxiliaires. Le processeur principal est appelé le PPE et les processeurs auxiliaires sont les SPE. Les SPE sont reliés à une mémoire locale (''local store'') de 256 kibioctets qui communique avec le processeur principal via un bus spécial. Les SPE communiquent avec la RAM principale via des contrôleurs DMA. Les SPE possèdent des instructions permettant de commander leur contrôleur DMA et c'est le seul moyen qu'ils ont pour récupérer des informations depuis la mémoire. Et c'est au programmeur de gérer tout ça ! C'est le processeur principal qui va envoyer aux SPE les programmes qu'ils doivent exécuter. Il délègue des calculs aux SPE en écrivant dans le local store du SPE et en lui ordonnant l’exécution du programme qu'il vient d'écrire. [[File:Schema Cell.png|centre|vignette|upright=2|Architecture du processeur CELL de la PS3. Le PPE est le processeur principal, les SPE sont des processeurs auxiliaires qui comprennent : un ''local store'' noté LS, un processeur noté SXU, et un contrôleur DMA pour échanger des informations avec la mémoire principale.]] ===Les architectures à cœurs conjoints=== Sur certains processeurs multicœurs, certains circuits sont partagés entre plusieurs cœurs. Typiquement, l'unité de calcul flottante est partagée entre deux coeurs/''threads'', les unités SIMD qu'on verra dans quelques chapitres sont aussi dans ce cas. Le partage de circuits permet d'éviter de dupliquer trop de circuits et donc d'économiser des transistors. Le problème est que ce partage est source de dépendances structurelles, ce qui peut entraîner des pertes de performances. Cette technique consistant de partage d'unités de calcul entre coeurs s'appelle le '''cluster multithreading''', ou encore les '''architectures à cœurs conjoints''' (''Conjoined Core Architectures''). Elle est notamment utilisée sur les processeurs AMD de microarchitecture Bulldozer, incluant ses trois révisions ultérieures nommées Piledriver, Steamroller et Excavator. Un exemple est celui des processeurs AMD FX-8150 et FX-8120. Sur ces processeurs, les instructions sont chargées dans deux files d'instructions séparées, une par ''thread'' matériel. Les instructions sont ensuite décodées par un décodeur unique et renommées dans une unité de renommage unique. Par la suite, il y a deux voies entières séparées et une voie flottante partagée. Chaque voie entière a sa propre fenêtre d'instruction entière, son tampon de ré-ordonnancement, ses unités de calcul dédiées, ses registres, sa ''load-store queue'', son cache L1. Par contre, la voie flottante partage les unités de calcul flottantes et n'a qu'une seule fenêtre d'instruction partagée par les deux ''threads''. [[File:AMD Bulldozer microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Bulldozer d'AMD.]] La révision Steamroller sépara le ''front-end'' en deux voies distinctes, une par ''thread''. Concrètement, elle ajouta un second décodeur d'instruction, une seconde file de micro-opération et une seconde unité de renommage de registres, afin d'améliorer les performances. Niveaux optimisations mineures, les stations de réservation ont été augmentées, elles peuvent mémoriser plus de micro-opérations, idem pour les bancs de registre et les files de lecture/écriture. Un cache de micro-opérations a été ajouté, de même que des optimisations quant au renommage de registre. Des ALU ont aussi été ajoutées, des FPU retirées. [[File:AMD excavator microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Excavator d'AMD.]] ===Les architectures ''many core''=== Les architectures ''many core'' ont un très grand nombre de cœurs, plus d'une cinquantaine, voire plusieurs centaines ou milliers. La différence est surtout une question de degré, mais aussi de but recherché. Les architectures multicœurs sont surtout conçues pour les ordinateurs personnels, éventuellement les serveurs. Elles recherchent un bon compromis entre un grand nombre de cœurs, et une bonne performance pour les programmes non-parallèles. En clair, elles évitent de sacrifier les performances pour les applications non-parallèles, ce qui fait que leurs cœurs sont généralement très puissants, avec beaucoup d'optimisations micro-architecturales. Les architectures ''many core'' font le compromis inverse : elles ont beaucoup de cœurs, mais ceux-ci ne sont pas très puissants, surtout pour les applications non-parallèles. Les cœurs des architectures ''many core'' sont généralement des cœurs sans exécution dans le désordre, sans prédiction de branchements, sans renommage de registres, voire sans pipeline ni parallélisme d'instruction. ==Le partage des caches== Quand on conçoit un processeur multicœur, il ne faut pas oublier ce qui arrive à la pièce maîtresse de tout processeur actuel : le cache ! Pour le moment nous allons oublier le fait que les processeurs ont une hiérarchie de caches, avec des caches L1, L2, L3 et autres. Nous allons partir du principe qu'un processeur simple cœur a un seul cache, et voir comment adapter le cache à la présence de plusieurs cœurs. Nous allons rapidement lever cette hypothèse, pour étudier le cas où un processeur multicœur a une hiérarchie de caches, mais seulement après avoir vu le cas le plus simple à un seul cache. ===Le partage des caches sans hiérarchie de caches : caches dédiés et partagés=== Avec un seul niveau de cache, sans hiérarchie, deux solutions sont possibles. La première consiste à garder un seul cache, et de le partager entre les cœurs. L'autre solution est de dupliquer le cache et d'utiliser un cache par cœur. Les deux solutions sont appelées différemment. On parle de '''caches dédiés''' si chaque cœur possède son propre cache, et de '''cache partagé''' avec un cache partagé entre tous les cœurs. Ces deux méthodes ont des inconvénients et des avantages. {| |[[File:Caches dédiés.png|vignette|Caches dédiés]] |[[File:Caches partagés.png|vignette|Cache partagé]] |} Le premier point sur lequel comparer caches dédiés et partagés est celui de la capacité du cache. La quantité de mémoire cache que l'on peut placer dans un processeur est limitée, car le cache prend beaucoup de place, près de la moitié des circuits du processeur. Aussi, un processeur incorpore une certaine quantité de mémoire cache, qu'il faut répartir entre un ou plusieurs caches. Les caches dédiés et partagés ne donnent pas le même résultat. D'un côté, le cache partagé fait que toute la mémoire cache est dédiée au cache partagé, qui est très gros. De l'autre, on doit répartir la capacité du cache entre plusieurs caches séparés, individuellement plus petits. En conséquence, on a le choix entre un petit cache pour chaque processeur ou un gros cache partagé. Le choix entre les deux n'est pas simple, mais doit tenir compte du fait que les programmes exécutés sur les cœurs n'ont pas les mêmes besoins. Certains programmes sont plus gourmands et demandent beaucoup de cache, alors que d'autres utilisent peu la mémoire cache. Avec un cache dédié, tous les programmes ont accès à la même quantité de cache, car les caches des différents cœurs sont de la même taille. Les caches dédiés étant assez petits, les programmes plus gourmands devront se débrouiller avec un petit cache, alors que les autres programmes auront du cache en trop. À l'opposé, un cache partagé répartit le cache de manière optimale : un programme gourmand peut utiliser autant de cache qu'il veut, laissant juste ce qu'il faut aux programmes moins gourmands. le cache peut être répartit plus facilement selon les besoins des différents programmes. [[File:Cache partagé contre cache dédié.png|centre|vignette|upright=2.5|Cache partagé contre cache dédié]] Un autre avantage des caches partagés est quand plusieurs cœurs accèdent aux même données. C'est un cas très courant, souvent lié à l'usage de mémoire partagé ou de ''threads''. Avec des caches dédiés, chaque cœur a une copie des données partagées. Mais avec un cache partagé, il n'y a qu'une seule copie de chaque donnée, ce qui utilise moins de mémoire cache. Imaginons que l'on sait 8 caches dédiés de 8 Kibioctets, soit 64 kibioctets au total, comparé à un cache partagé de même capacité totale. Les doublons dans les caches dédiés réduiront la capacité mémoire utile, effective, comparé à un cache partagé. S'il y a 1 Kibioctet de mémoire partagé, 8 kibioctets seront utilisés pour stocker ces données en doublons, seulement 1 kibioctet sur un cache partagé. Ajoutons aussi que la cohérence des caches est grandement simplifiée avec l'usage d'un cache partagé, vu que les données ne sont pas dupliquées dans plusieurs caches. Mais le partage du cache peut se transformer en inconvénient si les programmes entrent en compétition pour le cache, que ce soit pour y placer des données ou pour les accès mémoire. Deux programmes peuvent vouloir accéder au cache en même temps, voire carrément se marcher sur les pieds. La résolution des conflits d'accès au cache est résolu soit en prenant un cache multiport, avec un port dédié par cœur, soit par des mécanismes d'arbitrages avec des circuits dédiés. Le revers de la médaille tient au temps de latence. Plus un cache est gros, plus il est lent. En conséquence, des caches dédiés seront plus rapides qu'un gros cache partagé plus lent. ===Le partage des caches adapté à une hiérarchie de caches=== Dans la réalité, un processeur multicœur ne contient pas qu'un seul cache, mais une hiérarchie de caches avec des caches L1, L2 et L3, parfois L4. Dans cette hiérarchie, certains caches sont partagés entre plusieurs cœurs, les autres sont dédiés. Le cache L1 n'est jamais partagé, car il doit avoir un temps d'accès très faible. Pour les autres caches, tout dépend du processeur. [[File:Dual Core Generic.svg|vignette|Cache L2 partagé.]] Les premiers processeurs multicœurs commerciaux utilisaient deux niveaux de cache : des caches L1 dédiés et un cache L2 partagé. Le cache L2 partagé était relié aux caches L1, grâce à un système assez complexe d'interconnexions. Le cache de niveau L2 était souvent simple port, car les caches L1 se chargent de filtrer les accès aux caches de niveau inférieurs. Les processeurs multicœurs modernes ont des caches L3 et même L4, de grande capacité, ce qui a modifié le partage des caches. Le cache de dernier niveau, à savoir le cache le plus proche de la mémoire, est systématiquement partagé, car son rôle est d'être un cache lent mais gros. Il s'agit le plus souvent d'un cache de L3, plus rarement L4. Sur certains processeurs multicœurs, le cache de dernier niveau n'est techniquement pas dans le cœur, mais fait partie d'un ensemble de circuits reliés, comme le contrôleur mémoire ou l'interface mémoire. Il fonctionne à une fréquence différente du processeur, n'a pas la même tension d'alimentation, etc. Le cas du cache L2 dépend des architectures : il est partagé sur certains processeurs, dédié sur d'autres. Mais sur les processeurs modernes, c'est un cache dédié soit par cœur, soit pour un groupe de cœurs. Dans le cas le plus courant, chaque cache L2 est partagé entre plusieurs cœurs mais pas à tous. En effet, on peut limiter le partage du cache à quelques cœurs particuliers pour des raisons de performances. [[File:Partage des caches sur un processeur multicoeurs.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur multicœur.]] D'autres processeurs ont des caches L2 dédiés. Il s'agit surtout des processeurs multicœurs anciens, parmi les premières générations de processeurs multicœurs. Un exemple est celui de la microarchitecture Nehalem d'Intel. Il avait des caches L1 et L2 dédiés, mais un cache L3 partagé. [[File:Nehalem EP.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur Intel d'architecture Nehalem.]] ===Les caches partagés centralisés et distribués=== Un point important est que quand on parle de cache partagé ou de cache dédié, on ne parle que de la manière dont les cœurs peuvent accéder au cache, pas de la manière dont le caches est réellement localisé sur la puce. En théorie, qui dit plusieurs caches dédiés signifie que l'on a vraiment plusieurs caches séparés sur la puce. Et chaque cache dédié est proche du cœur qui lui est attribué. Et pour les caches partagés unique, une portion de la puce de silicium contient le cache, que cette portion est un énorme bloc de transistors. Il est généralement placé au milieu de la puce ou sur un côté, histoire de facilement le connecter à tous les cœurs. Mais pour les caches séparés, ce n'est pas toujours le cas. Avoir un cache énorme poserait des problèmes sur les architectures avec beaucoup de cœurs. En réalité, le cache est souvent découpé en plusieurs banques, reliées à un contrôleur du cache par un système d'interconnexion assez complexe. Les banques sont physiquement séparées, et il arrive qu'elles soient placées proche d'un cœur chacune. L'organisation des banques ressemble beaucoup à l'organisation des caches dédiés, avec une banque étant l'équivalent d'un cache dédié. La différence est que les cœurs peuvent lire et écrire dans toutes les banques, grâce au système d'interconnexion et au contrôleur de cache. Tel était le cas sur les processeurs AMD Jaguar. Ils avaient un cache L2 de 2 mébioctets, partagés entre tous les cœurs, qui était composé de 4 banques de 512 Kibioctets. Les quatre banques du cache étaient reliées aux 4 cœurs par un réseaux d'interconnexion assez complexe. [[File:AMDJaguarModule.png|centre|vignette|upright=2|AMD Jaguar Module]] La différence entre les deux solutions pour les caches partagés porte le nom de cache centralisés versus distribués. Un gros cache unique sur la puce est un '''cache centralisé''', et c'est généralement un cache partagé. Mais un cache composé de plusieurs banques dispersées sur la puce est un '''cache distribué''', qui peut être aussi bien dédié que partagé. ===Les caches virtualisés=== Il faut noter que quelques processeurs utilisent cette technique pour fusionnent le cache L2 et le cache L3. Par exemple, les processeurs IBM Telum utilisent des caches L3 virtualisés, dans leurs versions récentes. Le processeur Telum 2 contient 10 caches L2 de 36 mébioctets chacun, soit 360 mébioctets de cache. L'idée est que ces 360 mébioctets sont partagés à la demande entre cache L2 dédié et cache L3. On parle alors de '''cache virtualisé'''. Un cache de 36 mébioctet est associé à un cœur, auquel il est directement relié. Les cœurs n'utilisent pas tous leur cache dédié à 100% Il arrive que des cœurs aient des caches partiellement vides, alors que d'autres on un cache qui déborde. L'idée est que si un cœur a un cache plein, les données évincées du cache L2 privé sont déplacées dans le cache L2 d'un autre cœur, qui lui est partiellement vide. Le cache L2 en question est alors partitionné en deux : une portion pour les données associée à son cœur, une portion pour les données des L2 des autres cœurs. Pour que la technique fonctionne, le processeur mesure le remplissage de chaque cache L2. De plus, il faut gérer la politique de remplacement des lignes de cache. Une ligne de cache évincée du cache doit être déplacé dans un autre L2, pas dans les niveaux de cache inférieur, ni dans la mémoire. Du moins, tant qu'il reste de la place dans le cache L3. De plus, une lecture/écriture dans le cache L3 demande de localiser le cache L2 contenant la donnée. Pour cela, les caches L2 sont tous consultés lors d'un accès au L3, c'est la solution la plus simple, elle marche très bien si le taux de défaut du cache L2 est faible. Une telle optimisation ressemble beaucoup à un cache L2/L3 distribué, mais il y a quelques différences qui sont décrites dans le paragraphe précédent. Avec un L2 distribué, tout accès au L2 déclencherait une consultation de toutes les banques du L2. Avec un cache L3 virtualisé, ce n'est pas le cas. Le cache L2 associé au cœur est consulté, et c'est seulement en cas de défaut de cache que les autres caches L2 sont consultés. De plus, avec un cache L2 distribué, il n'y a pas de déplacement d'une ligne de cache entre deux banques, entre deux caches L2 physiques. Alors qu'avec un cache L3 virtualisé, c'est le cas en cas de remplacement d'une ligne de cache dans le cache L2. Sur le processeur Telum 1, le partage du cache L2 est assez simple. Un cache L2 fait 32 mébioctets et est découpé en deux banques de 16 mébioctets. En temps normal, les premiers 16 mébioctets sont toujours associé au cache L2, au cœur associé. Les 16 mébioctets restants peuvent soit être attribués au cache L3, soit fusionnés avec les 16 premiers mébioctets. Dans le cas où le cœur associé est en veille, n'est absolument pas utilisé, les 32 mébioctets sont attribués au cache L3. Un partage assez simple, donc. Le partage du cache L2/L3 sur les processeurs Telum 2 n'est pas connu, il est supposé être plus flexible. ==Le réseau d'interconnexion entre cœurs== Les CPU multicœurs connectent plusieurs cœurs entre eux, tout comme les systèmes multi-processeurs connectent plusieurs processeurs entre eux. Mais les transferts de données entre cœurs se font par l'intermédiaire des caches, ce qui fait que l'implémentation est différente de celle utilisée sur les systèmes multi-processeurs. Les standards pour les interconnexions entre coeurs sont assez proches de ceux utilisés pour interconnecter des processeurs, mais les standards utilisés ne sont pas les mêmes en pratique. Là encore, les cœurs sont connectés entre eux soit par un bus, soit par un réseau d'interconnexion. ===Le bus partagé entre plusieurs cœurs=== Une solution simple relie les cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Le cas le plus simple est celui où chaque cœur dispose de caches dédiés, qui sont alors tous reliés au bus mémoire, qui sert d'intermédiaire. Mais l'idée doit être adaptée sur les processeurs multicœurs avec des caches partagés. Voyons d'abord le cas d'un CPU avec deux niveaux de cache, dont un cache L2 est partagé entre tous les cœurs. Les caches L1 sont reliés au cache L2 partagé par un bus, qui n'a souvent pas de nom. Nous désignerons le bus entre le cache L1 et le cache L2 : '''bus partagé''', sous-entendu partagé entre tous les caches. C'est lui qui sert à connecter les cœurs entre eux. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2]] Un processeur multicœur typique a une architecture avec trois niveaux de cache (L1, L2 et L3), avec un niveau L1 dédié par cœur, un niveau L2 partiellement partagé et un L3 totalement partagé. Le bus partagé est alors difficile à décrire, mais il correspond à l'ensemble des bus qui connectent les caches L1 aux caches L2, et les caches L2 au cache L3. Il s'agit alors d'un ensemble de bus, plus que d'un bus partagé unique. L'usage d'un bus partagé a cependant de nombreux défauts dont nous parlerons en détail du bus partagé dans le chapitre sur la cohérence des caches. ===Le réseau d'interconnexion entre plusieurs cœurs=== Relier plusieurs cœurs avec des bus pose de nombreux problèmes techniques qui sont d'autant plus problématiques que le nombre de cœurs augmente. Le câblage est notamment très complexe, les contraintes électriques pour la transmission des signaux sont beaucoup plus fortes, les problèmes d'arbitrages se font plus fréquents, etc. Pour régler ces problèmes, les processeurs multicoeurs n'utilisent pas de bus partagé, mais un réseau d'interconnexion plus complexe. Un exemple de réseau d'interconnexion est celui des architectures AMD EPYC, de microarchitecture Zen 1. Elles utilisaient des chiplets, à savoir que le processeur était composé de plusieurs puces interconnectées entre elles. Chaque puce contenait un processeur multicoeurs intégrant un cache L3, avec un réseau d'interconnexion interne au processeur sans doute basé sur un ensemble de bus. De plus, les puces étaient reliées à une puce d'interconnexion qui servait à la fois d'interface entre les processeurs, mais aussi d'interface avec la R1AM, le bus PCI-Express, etc. La puce d'interconnexion était gravée en 14 nm contre 7nm pour les chiplets des cœurs. {| |[[File:AMD Epyc 7702 delidded.jpg|centre|vignette|upright=2|AMD Epyc 7702.]] |[[File:AMD Epyc Rome Aufbau.png|centre|vignette|upright=2|Schéma fonctionnel de l'AMD Epyc.]] |} Le réseau d'interconnexion peut être très complexe, avec des connexions réseau, des commutateurs, et des protocoles d'échanges entre processeurs assez complexes basés sur du passage de messages. De telles puces utilisent un '''réseau sur puce''' (''network on chip''). Mais d'autres simplifient le réseau d'interconnexion, qui se résume à un réseau ''crossbar'', voire à des mémoires FIFO pour faire l'interface entre les cœurs. Le problème principal des réseaux sur puce est que les mémoires FIFOs sont difficiles à implémenter sur une puce de silicium. Elles prennent beaucoup de place, utilisent beaucoup de portes logiques, consomment beaucoup d'énergie, sont difficiles à concevoir pour diverses raisons (les accès concurrents/simultanés sont fréquents et font mauvais ménage avec les ''timings'' serrés de quelques cycles d'horloges requis). Il est donc impossible de placer beaucoup de mémoires FIFO dans un processeur, ce qui fait que les commutateur sont réduits à leur strict minimum : un réseau d'interconnexion, un système d'arbitrage simple parfois sans aucune FIFO, guère plus. ===Les architectures en ''tile''=== Un cas particulier de réseau sur puce est celui des '''architectures en ''tile''''', des architectures avec un grand nombre de cœurs, connectés les unes aux autres par un réseau d'interconnexion "rectangulaire". Chaque cœur est associé à un commutateur (''switch'') qui le connecte au réseau d'interconnexion, l'ensemble formant une ''tile''. [[File:Tile64-Tile.svg|centre|vignette|upright=1.5|''Tile'' de base du Tile64.]] Le réseau est souvent organisé en tableau, chaque ''tile'' étant connectée à plusieurs voisines. Dans le cas le plus fréquent, chaque ''tile'' est connectée à quatre voisines : celle du dessus, celle du dessous, celle de gauche et celle de droite. Précisons que cette architecture n'est pas une architecture distribuée dont tous les processeurs seraient placés sur la même puce de silicium. En effet, la comparaison ne marche pas pour ce qui est de la mémoire : tous les cœurs accèdent à une mémoire partagée située en dehors de la puce de silicium. Le réseau ne connecte pas plusieurs ordinateurs séparés avec chacun leur propre mémoire, mais plusieurs cœurs qui accèdent à une mémoire partagée. Un bon exemple d'architecture en ''tile'' serait les déclinaisons de l'architecture Tilera. Les schémas du-dessous montrent l'architecture du processeur Tile 64. Outre les ''tiles'', qui sont les éléments de calcul de l'architecture, on trouve plusieurs contrôleurs mémoire DDR, divers interfaces réseau, des interfaces série et parallèles, et d'autres entrées-sorties. [[File:Tile64.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture Tile64 du Tilera.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=Les architectures parallèles | prevText=Les architectures parallèles | next=Architectures multithreadées et Hyperthreading | nextText=Architectures multithreadées et Hyperthreading }} </noinclude> dpkshvgbq6loizw9chu6crjw1bw6uz9 762435 762434 2026-03-28T14:23:24Z Mewtow 31375 /* Les processeurs multicœurs */ 762435 wikitext text/x-wiki Pour réellement tirer parti du parallélisme de taches, rien ne vaut l'utilisation de plusieurs processeurs et/ou de plusieurs ordinateurs, qui exécutent chacun un ou plusieurs programmes dans leur coin. Si utiliser plusieurs ordinateurs connectés par un réseau local est une solution simple et facile à implémenter, elle est cependant assez onéreuse et demande des logiciels adaptés qui permettent de profiter d'une telle architecture matérielle. D'autres solutions multiprocesseurs ont alors vu le jour pour rendre l'usage de plusieurs processeurs plus adéquat. ==Les systèmes multiprocesseur== Les '''systèmes multiprocesseur''' placent plusieurs processeurs sur la même carte mère. Ils sont courants dans les serveurs ou les ''data centers'', mais sont beaucoup plus rares pour les ordinateurs grand public. Il y a eu quelques systèmes multiprocesseur vendus au grand public dans les années 2000, certaines cartes mères avaient deux sockets pour mettre deux processeurs. Mais les logiciels et les systèmes d'exploitation grand public n'étaient pas adaptés pour, la demande pour des ordinateurs multiprocesseurs était limitée à quelques professionnels et ne justifiait pas un investissement majeur dans ces technologies. Au final, le gain était assez faible en terme de performance, peu de logiciels grand public profitaient de l'usage de plusieurs processeurs, la technologie est restée confidentielle. Du moins, avant l'arrivée des processeurs multicœur, après 2005. Nous allons voir les systèmes multiprocesseur à part des processeurs multicœurs. Il faut dire qu'utiliser plusieurs processeurs et avoir plusieurs cœurs sur la même puce, ce n'est pas la même chose. Particulièrement pour ce qui est de la mémoire cache. ===Le réseau d'interconnexion inter-processeur=== Les cartes mères multi-processeurs incorporent un réseau d'interconnexion pour connecter les processeurs à la mémoire RAM, au reste de l'ordinateur, et aussi pour les connecter entre eux. Il s'agit d'un '''réseau d'interconnexion inter-processeur''', placé sur la carte mère. Les processeurs sont tous connectés en utilisant deux solutions : soit avec un bus, soit avec un réseau d'interconnexion très complexe. Une solution simple relie les processeurs/cœurs entre eux grâce au bus mémoire. Le réseau d'interconnexion est donc un bus, partagé avec tous les processeurs. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multiprocesseurs à bus partagé]] Le bus mémoire est donc un '''bus partagé''', avec tout ce que cela implique. Les processeurs doivent se répartir l'accès au bus mémoire, il faut gérer le cas où deux processeurs accèdent au bus en même temps, etc. Pour cela, un composant dédié s'occupe de l'arbitrage entre processeurs. Il est généralement placé sur la carte mère de l'ordinateur, dans le ''chipset'', dans le pont nord, ou un endroit proche. [[File:Intel486 System Arbitration.png|centre|vignette|upright=2|Système avec deux Intel486 - Arbitrage du bus mémoire.]] De nos jours, les cartes mères pour serveur n'utilisent plus de bus partagé, mais utilisent un réseau d'interconnexion plus élaboré. Le réseau en question est un vrai réseau, qui peut être un réseau en anneau, un réseau crossbar, un réseau routé, etc. Le réseau d'interconnexion relie entre eux les cœurs, l'interface avec la mémoire RAM, le cache partagé L3/L4, mais aussi le bus PCI-Express, le GPU et quelques autres circuits séparés. [[File:Architecture multicoeurs et réseau sur puce.png|centre|vignette|upright=1.5|Architecture multicoeurs et réseau sur puce]] Les systèmes multi-processeurs modernes utilisent des réseaux d'interconnexion standardisés, les standards les plus communs étant l'HyperTransport, l'Intel QuickPath Interconnect, l'IBM Elastic Interface, le Intel Ultra Path Interconnect, l'Infinity Fabric, etc. Ils remplacent le fameux ''front-side bus'' des tout premiers processeurs multicœurs. ===Les interruptions inter-processeurs=== Les différents processeurs sont gérés par le système d'exploitation de l'ordinateur, avec l'aide d''''interruptions inter-processeurs''', des interruptions déclenchées sur un processeur et exécutées sur un autre, éventuellement par tous les autres pour certaines interruptions spécifiques. Pour générer des interruptions inter-processeur, le contrôleur d'interruption doit pouvoir rediriger des interruptions déclenchées par un processeur vers un autre. Un exemple d'implémentation très simple est celui de la console Néo-géo, qui contenait deux processeurs. Le premier est un Motorola 68000 qui sert de processeur principal, l'autre est un Z80 qui sert de processeur dédié à l'audio. Le Z80 commande un synthétiseur sonore, et est relié à sa propre mémoire, distincte de la mémoire principale. Le MC68000 est le processeur principal et a une relation maitre-esclave avec le Z80 : le MC68000 envoie des interruptions au Z80, mais la communication ne va pas dans l'autre sens. Les deux processeurs communiquent via l'intermédiaire d'un '''''IO arbiter chip''''', un circuit sur la carte mère connecté au bus, qui gère les interruptions inter-processeur. Il contient un registre de 8 bits, dans lequel le MC68000 peut écrire dedans à sa guise, le registre étant adressable par le processeur. Les valeurs écrites dans ce registre sont des numéros d'interruption, qui indiquent quelle routine d'interruption exécuter. Lorsque le MC68000 écrit une valeur dedans, cela déclenche l’exécution automatique d'une interruption sur le Z80. Le code de 8 bits est envoyé au processeur Z80, en parallèle de l'interruption. : Il est possible de voir ce ''IO arbiter chip'' comme un contrôleur d'interruptions spécialisé dans les interruptions inter-processeur. Les anciens PC incorporaient sur leur carte mère un contrôleur d'interruption créé par Intel, le 8259A, qui ne gérait pas les interruptions inter-processeurs. Les cartes mères multiprocesseurs devaient incorporer un contrôleur spécial en complément. De nos jours, chaque cœur x86 possède son propre contrôleur d’interruption, le local APIC, qui gère les interruptions en provenance ou arrivant vers ce processeur. On trouve aussi un IO-APIC, qui gère les interruptions en provenance des périphériques et de les redistribuer vers les APIC locaux. L'IO-APIC gère aussi les interruptions inter-processeurs en faisant passer les interruptions d'un local APIC vers un autre. Tous les APIC locaux et l'IO-APIC sont reliés ensembles par un bus APIC spécialisé, par lequel ils vont pouvoir communiquer et s'échanger des demandes d'interruptions. [[File:Contrôleurs d'interrptions sur systèmes x86 multicoeurs.png|centre|vignette|upright=1.5|Contrôleurs d’interruptions sur systèmes x86 multicœurs.]] On peut préciser le processeur de destination en configurant certains registres du IO-APIC, afin que celui-ci redirige la demande d'interruption d'un local APIC vers celui sélectionné. Cela se fait avec l'aide d'un registre de 64 bits nommé l'''Interrupt Command Register''. Pour simplifier le mécanisme complet, chaque processeur se voit attribuer un Id au démarrage qui permet de l'identifier (en fait, cet Id est attribué au local APIC de chaque processeur). Certains bits de ce registre permettent de préciser quel est le type de transfert : doit-on envoyer l'interruption au processeur émetteur, à tous les autres processeurs, à un processeur particulier. Dans le dernier cas, certains bits du registre permettent de préciser l'Id du processeur qui va devoir recevoir l'interruption. À charge de l'APIC de faire ce qu'il faut en fonction du contenu de ce registre. ==Les processeurs multicœurs== Puis, avec les progrès en matière de miniaturisation des processeurs, les fabricants ont eu l'idée d'utiliser les transistors qu'ils avaient pour fabriquer des '''processeurs multicœurs''', un terme que vous avez peut-être déjà entendu sans vraiment comprendre ce qu'il signifiait réellement. Les processeurs multicœurs peuvent être vus comme un regroupement de plusieurs processeurs sur la même puce de silicium. Pour être plus précis, ils contiennent plusieurs ''cœurs'', chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, que ce soit un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœurs, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Le multicœurs symétrique ou asymétrique=== Dans la grosse majorité des cas, les cœurs d'un processeur multicœurs sont tous identiques. Mais ce n'est certainement pas une obligation et on peut très bien mettre plusieurs cœurs assez différents sur la même puce. On peut par exemple utiliser un cœur principal avec des cœurs plus spécialisés autour. Il faut ainsi distinguer le '''multicœurs symétrique''', dans lequel on place des processeurs identiques sur la même puce de silicium, du '''multicœurs asymétrique''' où les cœurs ne sont pas identiques. Un exemple est celui du processeur CELL de la console de jeu PS3. Il intègre un cœur principal POWER PC v5 et 8 coeurs qui servent de processeurs auxiliaires. Le processeur principal est appelé le PPE et les processeurs auxiliaires sont les SPE. Les SPE sont reliés à une mémoire locale (''local store'') de 256 kibioctets qui communique avec le processeur principal via un bus spécial. Les SPE communiquent avec la RAM principale via des contrôleurs DMA. Les SPE possèdent des instructions permettant de commander leur contrôleur DMA et c'est le seul moyen qu'ils ont pour récupérer des informations depuis la mémoire. Et c'est au programmeur de gérer tout ça ! C'est le processeur principal qui va envoyer aux SPE les programmes qu'ils doivent exécuter. Il délègue des calculs aux SPE en écrivant dans le local store du SPE et en lui ordonnant l’exécution du programme qu'il vient d'écrire. [[File:Schema Cell.png|centre|vignette|upright=2|Architecture du processeur CELL de la PS3. Le PPE est le processeur principal, les SPE sont des processeurs auxiliaires qui comprennent : un ''local store'' noté LS, un processeur noté SXU, et un contrôleur DMA pour échanger des informations avec la mémoire principale.]] ===Les architectures à cœurs conjoints=== Sur certains processeurs multicœurs, certains circuits sont partagés entre plusieurs cœurs. Typiquement, l'unité de calcul flottante est partagée entre deux coeurs/''threads'', les unités SIMD qu'on verra dans quelques chapitres sont aussi dans ce cas. Le partage de circuits permet d'éviter de dupliquer trop de circuits et donc d'économiser des transistors. Le problème est que ce partage est source de dépendances structurelles, ce qui peut entraîner des pertes de performances. Cette technique consistant de partage d'unités de calcul entre coeurs s'appelle le '''cluster multithreading''', ou encore les '''architectures à cœurs conjoints''' (''Conjoined Core Architectures''). Elle est notamment utilisée sur les processeurs AMD de microarchitecture Bulldozer, incluant ses trois révisions ultérieures nommées Piledriver, Steamroller et Excavator. Un exemple est celui des processeurs AMD FX-8150 et FX-8120. Sur ces processeurs, les instructions sont chargées dans deux files d'instructions séparées, une par ''thread'' matériel. Les instructions sont ensuite décodées par un décodeur unique et renommées dans une unité de renommage unique. Par la suite, il y a deux voies entières séparées et une voie flottante partagée. Chaque voie entière a sa propre fenêtre d'instruction entière, son tampon de ré-ordonnancement, ses unités de calcul dédiées, ses registres, sa ''load-store queue'', son cache L1. Par contre, la voie flottante partage les unités de calcul flottantes et n'a qu'une seule fenêtre d'instruction partagée par les deux ''threads''. [[File:AMD Bulldozer microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Bulldozer d'AMD.]] La révision Steamroller sépara le ''front-end'' en deux voies distinctes, une par ''thread''. Concrètement, elle ajouta un second décodeur d'instruction, une seconde file de micro-opération et une seconde unité de renommage de registres, afin d'améliorer les performances. Niveaux optimisations mineures, les stations de réservation ont été augmentées, elles peuvent mémoriser plus de micro-opérations, idem pour les bancs de registre et les files de lecture/écriture. Un cache de micro-opérations a été ajouté, de même que des optimisations quant au renommage de registre. Des ALU ont aussi été ajoutées, des FPU retirées. [[File:AMD excavator microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Excavator d'AMD.]] ===Les architectures ''many core''=== Les architectures ''many core'' ont un très grand nombre de cœurs, plus d'une cinquantaine, voire plusieurs centaines ou milliers. La différence est surtout une question de degré, mais aussi de but recherché. Les architectures multicœurs sont surtout conçues pour les ordinateurs personnels, éventuellement les serveurs. Elles recherchent un bon compromis entre un grand nombre de cœurs, et une bonne performance pour les programmes non-parallèles. En clair, elles évitent de sacrifier les performances pour les applications non-parallèles, ce qui fait que leurs cœurs sont généralement très puissants, avec beaucoup d'optimisations micro-architecturales. Les architectures ''many core'' font le compromis inverse : elles ont beaucoup de cœurs, mais ceux-ci ne sont pas très puissants, surtout pour les applications non-parallèles. Les cœurs des architectures ''many core'' sont généralement des cœurs sans exécution dans le désordre, sans prédiction de branchements, sans renommage de registres, voire sans pipeline ni parallélisme d'instruction. ==Le partage des caches== Quand on conçoit un processeur multicœur, il ne faut pas oublier ce qui arrive à la pièce maîtresse de tout processeur actuel : le cache ! Pour le moment nous allons oublier le fait que les processeurs ont une hiérarchie de caches, avec des caches L1, L2, L3 et autres. Nous allons partir du principe qu'un processeur simple cœur a un seul cache, et voir comment adapter le cache à la présence de plusieurs cœurs. Nous allons rapidement lever cette hypothèse, pour étudier le cas où un processeur multicœur a une hiérarchie de caches, mais seulement après avoir vu le cas le plus simple à un seul cache. ===Le partage des caches sans hiérarchie de caches : caches dédiés et partagés=== Avec un seul niveau de cache, sans hiérarchie, deux solutions sont possibles. La première consiste à garder un seul cache, et de le partager entre les cœurs. L'autre solution est de dupliquer le cache et d'utiliser un cache par cœur. Les deux solutions sont appelées différemment. On parle de '''caches dédiés''' si chaque cœur possède son propre cache, et de '''cache partagé''' avec un cache partagé entre tous les cœurs. Ces deux méthodes ont des inconvénients et des avantages. {| |[[File:Caches dédiés.png|vignette|Caches dédiés]] |[[File:Caches partagés.png|vignette|Cache partagé]] |} Le premier point sur lequel comparer caches dédiés et partagés est celui de la capacité du cache. La quantité de mémoire cache que l'on peut placer dans un processeur est limitée, car le cache prend beaucoup de place, près de la moitié des circuits du processeur. Aussi, un processeur incorpore une certaine quantité de mémoire cache, qu'il faut répartir entre un ou plusieurs caches. Les caches dédiés et partagés ne donnent pas le même résultat. D'un côté, le cache partagé fait que toute la mémoire cache est dédiée au cache partagé, qui est très gros. De l'autre, on doit répartir la capacité du cache entre plusieurs caches séparés, individuellement plus petits. En conséquence, on a le choix entre un petit cache pour chaque processeur ou un gros cache partagé. Le choix entre les deux n'est pas simple, mais doit tenir compte du fait que les programmes exécutés sur les cœurs n'ont pas les mêmes besoins. Certains programmes sont plus gourmands et demandent beaucoup de cache, alors que d'autres utilisent peu la mémoire cache. Avec un cache dédié, tous les programmes ont accès à la même quantité de cache, car les caches des différents cœurs sont de la même taille. Les caches dédiés étant assez petits, les programmes plus gourmands devront se débrouiller avec un petit cache, alors que les autres programmes auront du cache en trop. À l'opposé, un cache partagé répartit le cache de manière optimale : un programme gourmand peut utiliser autant de cache qu'il veut, laissant juste ce qu'il faut aux programmes moins gourmands. le cache peut être répartit plus facilement selon les besoins des différents programmes. [[File:Cache partagé contre cache dédié.png|centre|vignette|upright=2.5|Cache partagé contre cache dédié]] Un autre avantage des caches partagés est quand plusieurs cœurs accèdent aux même données. C'est un cas très courant, souvent lié à l'usage de mémoire partagé ou de ''threads''. Avec des caches dédiés, chaque cœur a une copie des données partagées. Mais avec un cache partagé, il n'y a qu'une seule copie de chaque donnée, ce qui utilise moins de mémoire cache. Imaginons que l'on sait 8 caches dédiés de 8 Kibioctets, soit 64 kibioctets au total, comparé à un cache partagé de même capacité totale. Les doublons dans les caches dédiés réduiront la capacité mémoire utile, effective, comparé à un cache partagé. S'il y a 1 Kibioctet de mémoire partagé, 8 kibioctets seront utilisés pour stocker ces données en doublons, seulement 1 kibioctet sur un cache partagé. Ajoutons aussi que la cohérence des caches est grandement simplifiée avec l'usage d'un cache partagé, vu que les données ne sont pas dupliquées dans plusieurs caches. Mais le partage du cache peut se transformer en inconvénient si les programmes entrent en compétition pour le cache, que ce soit pour y placer des données ou pour les accès mémoire. Deux programmes peuvent vouloir accéder au cache en même temps, voire carrément se marcher sur les pieds. La résolution des conflits d'accès au cache est résolu soit en prenant un cache multiport, avec un port dédié par cœur, soit par des mécanismes d'arbitrages avec des circuits dédiés. Le revers de la médaille tient au temps de latence. Plus un cache est gros, plus il est lent. En conséquence, des caches dédiés seront plus rapides qu'un gros cache partagé plus lent. ===Le partage des caches adapté à une hiérarchie de caches=== Dans la réalité, un processeur multicœur ne contient pas qu'un seul cache, mais une hiérarchie de caches avec des caches L1, L2 et L3, parfois L4. Dans cette hiérarchie, certains caches sont partagés entre plusieurs cœurs, les autres sont dédiés. Le cache L1 n'est jamais partagé, car il doit avoir un temps d'accès très faible. Pour les autres caches, tout dépend du processeur. [[File:Dual Core Generic.svg|vignette|Cache L2 partagé.]] Les premiers processeurs multicœurs commerciaux utilisaient deux niveaux de cache : des caches L1 dédiés et un cache L2 partagé. Le cache L2 partagé était relié aux caches L1, grâce à un système assez complexe d'interconnexions. Le cache de niveau L2 était souvent simple port, car les caches L1 se chargent de filtrer les accès aux caches de niveau inférieurs. Les processeurs multicœurs modernes ont des caches L3 et même L4, de grande capacité, ce qui a modifié le partage des caches. Le cache de dernier niveau, à savoir le cache le plus proche de la mémoire, est systématiquement partagé, car son rôle est d'être un cache lent mais gros. Il s'agit le plus souvent d'un cache de L3, plus rarement L4. Sur certains processeurs multicœurs, le cache de dernier niveau n'est techniquement pas dans le cœur, mais fait partie d'un ensemble de circuits reliés, comme le contrôleur mémoire ou l'interface mémoire. Il fonctionne à une fréquence différente du processeur, n'a pas la même tension d'alimentation, etc. Le cas du cache L2 dépend des architectures : il est partagé sur certains processeurs, dédié sur d'autres. Mais sur les processeurs modernes, c'est un cache dédié soit par cœur, soit pour un groupe de cœurs. Dans le cas le plus courant, chaque cache L2 est partagé entre plusieurs cœurs mais pas à tous. En effet, on peut limiter le partage du cache à quelques cœurs particuliers pour des raisons de performances. [[File:Partage des caches sur un processeur multicoeurs.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur multicœur.]] D'autres processeurs ont des caches L2 dédiés. Il s'agit surtout des processeurs multicœurs anciens, parmi les premières générations de processeurs multicœurs. Un exemple est celui de la microarchitecture Nehalem d'Intel. Il avait des caches L1 et L2 dédiés, mais un cache L3 partagé. [[File:Nehalem EP.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur Intel d'architecture Nehalem.]] ===Les caches partagés centralisés et distribués=== Un point important est que quand on parle de cache partagé ou de cache dédié, on ne parle que de la manière dont les cœurs peuvent accéder au cache, pas de la manière dont le caches est réellement localisé sur la puce. En théorie, qui dit plusieurs caches dédiés signifie que l'on a vraiment plusieurs caches séparés sur la puce. Et chaque cache dédié est proche du cœur qui lui est attribué. Et pour les caches partagés unique, une portion de la puce de silicium contient le cache, que cette portion est un énorme bloc de transistors. Il est généralement placé au milieu de la puce ou sur un côté, histoire de facilement le connecter à tous les cœurs. Mais pour les caches séparés, ce n'est pas toujours le cas. Avoir un cache énorme poserait des problèmes sur les architectures avec beaucoup de cœurs. En réalité, le cache est souvent découpé en plusieurs banques, reliées à un contrôleur du cache par un système d'interconnexion assez complexe. Les banques sont physiquement séparées, et il arrive qu'elles soient placées proche d'un cœur chacune. L'organisation des banques ressemble beaucoup à l'organisation des caches dédiés, avec une banque étant l'équivalent d'un cache dédié. La différence est que les cœurs peuvent lire et écrire dans toutes les banques, grâce au système d'interconnexion et au contrôleur de cache. Tel était le cas sur les processeurs AMD Jaguar. Ils avaient un cache L2 de 2 mébioctets, partagés entre tous les cœurs, qui était composé de 4 banques de 512 Kibioctets. Les quatre banques du cache étaient reliées aux 4 cœurs par un réseaux d'interconnexion assez complexe. [[File:AMDJaguarModule.png|centre|vignette|upright=2|AMD Jaguar Module]] La différence entre les deux solutions pour les caches partagés porte le nom de cache centralisés versus distribués. Un gros cache unique sur la puce est un '''cache centralisé''', et c'est généralement un cache partagé. Mais un cache composé de plusieurs banques dispersées sur la puce est un '''cache distribué''', qui peut être aussi bien dédié que partagé. ===Les caches virtualisés=== Il faut noter que quelques processeurs utilisent cette technique pour fusionnent le cache L2 et le cache L3. Par exemple, les processeurs IBM Telum utilisent des caches L3 virtualisés, dans leurs versions récentes. Le processeur Telum 2 contient 10 caches L2 de 36 mébioctets chacun, soit 360 mébioctets de cache. L'idée est que ces 360 mébioctets sont partagés à la demande entre cache L2 dédié et cache L3. On parle alors de '''cache virtualisé'''. Un cache de 36 mébioctet est associé à un cœur, auquel il est directement relié. Les cœurs n'utilisent pas tous leur cache dédié à 100% Il arrive que des cœurs aient des caches partiellement vides, alors que d'autres on un cache qui déborde. L'idée est que si un cœur a un cache plein, les données évincées du cache L2 privé sont déplacées dans le cache L2 d'un autre cœur, qui lui est partiellement vide. Le cache L2 en question est alors partitionné en deux : une portion pour les données associée à son cœur, une portion pour les données des L2 des autres cœurs. Pour que la technique fonctionne, le processeur mesure le remplissage de chaque cache L2. De plus, il faut gérer la politique de remplacement des lignes de cache. Une ligne de cache évincée du cache doit être déplacé dans un autre L2, pas dans les niveaux de cache inférieur, ni dans la mémoire. Du moins, tant qu'il reste de la place dans le cache L3. De plus, une lecture/écriture dans le cache L3 demande de localiser le cache L2 contenant la donnée. Pour cela, les caches L2 sont tous consultés lors d'un accès au L3, c'est la solution la plus simple, elle marche très bien si le taux de défaut du cache L2 est faible. Une telle optimisation ressemble beaucoup à un cache L2/L3 distribué, mais il y a quelques différences qui sont décrites dans le paragraphe précédent. Avec un L2 distribué, tout accès au L2 déclencherait une consultation de toutes les banques du L2. Avec un cache L3 virtualisé, ce n'est pas le cas. Le cache L2 associé au cœur est consulté, et c'est seulement en cas de défaut de cache que les autres caches L2 sont consultés. De plus, avec un cache L2 distribué, il n'y a pas de déplacement d'une ligne de cache entre deux banques, entre deux caches L2 physiques. Alors qu'avec un cache L3 virtualisé, c'est le cas en cas de remplacement d'une ligne de cache dans le cache L2. Sur le processeur Telum 1, le partage du cache L2 est assez simple. Un cache L2 fait 32 mébioctets et est découpé en deux banques de 16 mébioctets. En temps normal, les premiers 16 mébioctets sont toujours associé au cache L2, au cœur associé. Les 16 mébioctets restants peuvent soit être attribués au cache L3, soit fusionnés avec les 16 premiers mébioctets. Dans le cas où le cœur associé est en veille, n'est absolument pas utilisé, les 32 mébioctets sont attribués au cache L3. Un partage assez simple, donc. Le partage du cache L2/L3 sur les processeurs Telum 2 n'est pas connu, il est supposé être plus flexible. ==Le réseau d'interconnexion entre cœurs== Les CPU multicœurs connectent plusieurs cœurs entre eux, tout comme les systèmes multi-processeurs connectent plusieurs processeurs entre eux. Mais les transferts de données entre cœurs se font par l'intermédiaire des caches, ce qui fait que l'implémentation est différente de celle utilisée sur les systèmes multi-processeurs. Les standards pour les interconnexions entre coeurs sont assez proches de ceux utilisés pour interconnecter des processeurs, mais les standards utilisés ne sont pas les mêmes en pratique. Là encore, les cœurs sont connectés entre eux soit par un bus, soit par un réseau d'interconnexion. ===Le bus partagé entre plusieurs cœurs=== Une solution simple relie les cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Le cas le plus simple est celui où chaque cœur dispose de caches dédiés, qui sont alors tous reliés au bus mémoire, qui sert d'intermédiaire. Mais l'idée doit être adaptée sur les processeurs multicœurs avec des caches partagés. Voyons d'abord le cas d'un CPU avec deux niveaux de cache, dont un cache L2 est partagé entre tous les cœurs. Les caches L1 sont reliés au cache L2 partagé par un bus, qui n'a souvent pas de nom. Nous désignerons le bus entre le cache L1 et le cache L2 : '''bus partagé''', sous-entendu partagé entre tous les caches. C'est lui qui sert à connecter les cœurs entre eux. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2]] Un processeur multicœur typique a une architecture avec trois niveaux de cache (L1, L2 et L3), avec un niveau L1 dédié par cœur, un niveau L2 partiellement partagé et un L3 totalement partagé. Le bus partagé est alors difficile à décrire, mais il correspond à l'ensemble des bus qui connectent les caches L1 aux caches L2, et les caches L2 au cache L3. Il s'agit alors d'un ensemble de bus, plus que d'un bus partagé unique. L'usage d'un bus partagé a cependant de nombreux défauts dont nous parlerons en détail du bus partagé dans le chapitre sur la cohérence des caches. ===Le réseau d'interconnexion entre plusieurs cœurs=== Relier plusieurs cœurs avec des bus pose de nombreux problèmes techniques qui sont d'autant plus problématiques que le nombre de cœurs augmente. Le câblage est notamment très complexe, les contraintes électriques pour la transmission des signaux sont beaucoup plus fortes, les problèmes d'arbitrages se font plus fréquents, etc. Pour régler ces problèmes, les processeurs multicoeurs n'utilisent pas de bus partagé, mais un réseau d'interconnexion plus complexe. Un exemple de réseau d'interconnexion est celui des architectures AMD EPYC, de microarchitecture Zen 1. Elles utilisaient des chiplets, à savoir que le processeur était composé de plusieurs puces interconnectées entre elles. Chaque puce contenait un processeur multicoeurs intégrant un cache L3, avec un réseau d'interconnexion interne au processeur sans doute basé sur un ensemble de bus. De plus, les puces étaient reliées à une puce d'interconnexion qui servait à la fois d'interface entre les processeurs, mais aussi d'interface avec la R1AM, le bus PCI-Express, etc. La puce d'interconnexion était gravée en 14 nm contre 7nm pour les chiplets des cœurs. {| |[[File:AMD Epyc 7702 delidded.jpg|centre|vignette|upright=2|AMD Epyc 7702.]] |[[File:AMD Epyc Rome Aufbau.png|centre|vignette|upright=2|Schéma fonctionnel de l'AMD Epyc.]] |} Le réseau d'interconnexion peut être très complexe, avec des connexions réseau, des commutateurs, et des protocoles d'échanges entre processeurs assez complexes basés sur du passage de messages. De telles puces utilisent un '''réseau sur puce''' (''network on chip''). Mais d'autres simplifient le réseau d'interconnexion, qui se résume à un réseau ''crossbar'', voire à des mémoires FIFO pour faire l'interface entre les cœurs. Le problème principal des réseaux sur puce est que les mémoires FIFOs sont difficiles à implémenter sur une puce de silicium. Elles prennent beaucoup de place, utilisent beaucoup de portes logiques, consomment beaucoup d'énergie, sont difficiles à concevoir pour diverses raisons (les accès concurrents/simultanés sont fréquents et font mauvais ménage avec les ''timings'' serrés de quelques cycles d'horloges requis). Il est donc impossible de placer beaucoup de mémoires FIFO dans un processeur, ce qui fait que les commutateur sont réduits à leur strict minimum : un réseau d'interconnexion, un système d'arbitrage simple parfois sans aucune FIFO, guère plus. ===Les architectures en ''tile''=== Un cas particulier de réseau sur puce est celui des '''architectures en ''tile''''', des architectures avec un grand nombre de cœurs, connectés les unes aux autres par un réseau d'interconnexion "rectangulaire". Chaque cœur est associé à un commutateur (''switch'') qui le connecte au réseau d'interconnexion, l'ensemble formant une ''tile''. [[File:Tile64-Tile.svg|centre|vignette|upright=1.5|''Tile'' de base du Tile64.]] Le réseau est souvent organisé en tableau, chaque ''tile'' étant connectée à plusieurs voisines. Dans le cas le plus fréquent, chaque ''tile'' est connectée à quatre voisines : celle du dessus, celle du dessous, celle de gauche et celle de droite. Précisons que cette architecture n'est pas une architecture distribuée dont tous les processeurs seraient placés sur la même puce de silicium. En effet, la comparaison ne marche pas pour ce qui est de la mémoire : tous les cœurs accèdent à une mémoire partagée située en dehors de la puce de silicium. Le réseau ne connecte pas plusieurs ordinateurs séparés avec chacun leur propre mémoire, mais plusieurs cœurs qui accèdent à une mémoire partagée. Un bon exemple d'architecture en ''tile'' serait les déclinaisons de l'architecture Tilera. Les schémas du-dessous montrent l'architecture du processeur Tile 64. Outre les ''tiles'', qui sont les éléments de calcul de l'architecture, on trouve plusieurs contrôleurs mémoire DDR, divers interfaces réseau, des interfaces série et parallèles, et d'autres entrées-sorties. [[File:Tile64.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture Tile64 du Tilera.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=Les architectures parallèles | prevText=Les architectures parallèles | next=Architectures multithreadées et Hyperthreading | nextText=Architectures multithreadées et Hyperthreading }} </noinclude> ipupxp0w3epv0ee1m8yensfsodx7a92 762437 762435 2026-03-28T14:41:54Z Mewtow 31375 /* Les interruptions inter-processeurs */ 762437 wikitext text/x-wiki Pour réellement tirer parti du parallélisme de taches, rien ne vaut l'utilisation de plusieurs processeurs et/ou de plusieurs ordinateurs, qui exécutent chacun un ou plusieurs programmes dans leur coin. Si utiliser plusieurs ordinateurs connectés par un réseau local est une solution simple et facile à implémenter, elle est cependant assez onéreuse et demande des logiciels adaptés qui permettent de profiter d'une telle architecture matérielle. D'autres solutions multiprocesseurs ont alors vu le jour pour rendre l'usage de plusieurs processeurs plus adéquat. ==Les systèmes multiprocesseur== Les '''systèmes multiprocesseur''' placent plusieurs processeurs sur la même carte mère. Ils sont courants dans les serveurs ou les ''data centers'', mais sont beaucoup plus rares pour les ordinateurs grand public. Il y a eu quelques systèmes multiprocesseur vendus au grand public dans les années 2000, certaines cartes mères avaient deux sockets pour mettre deux processeurs. Mais les logiciels et les systèmes d'exploitation grand public n'étaient pas adaptés pour, la demande pour des ordinateurs multiprocesseurs était limitée à quelques professionnels et ne justifiait pas un investissement majeur dans ces technologies. Au final, le gain était assez faible en terme de performance, peu de logiciels grand public profitaient de l'usage de plusieurs processeurs, la technologie est restée confidentielle. Du moins, avant l'arrivée des processeurs multicœur, après 2005. Nous allons voir les systèmes multiprocesseur à part des processeurs multicœurs. Il faut dire qu'utiliser plusieurs processeurs et avoir plusieurs cœurs sur la même puce, ce n'est pas la même chose. Particulièrement pour ce qui est de la mémoire cache. ===Le réseau d'interconnexion inter-processeur=== Les cartes mères multi-processeurs incorporent un réseau d'interconnexion pour connecter les processeurs à la mémoire RAM, au reste de l'ordinateur, et aussi pour les connecter entre eux. Il s'agit d'un '''réseau d'interconnexion inter-processeur''', placé sur la carte mère. Les processeurs sont tous connectés en utilisant deux solutions : soit avec un bus, soit avec un réseau d'interconnexion très complexe. Une solution simple relie les processeurs/cœurs entre eux grâce au bus mémoire. Le réseau d'interconnexion est donc un bus, partagé avec tous les processeurs. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multiprocesseurs à bus partagé]] Le bus mémoire est donc un '''bus partagé''', avec tout ce que cela implique. Les processeurs doivent se répartir l'accès au bus mémoire, il faut gérer le cas où deux processeurs accèdent au bus en même temps, etc. Pour cela, un composant dédié s'occupe de l'arbitrage entre processeurs. Il est généralement placé sur la carte mère de l'ordinateur, dans le ''chipset'', dans le pont nord, ou un endroit proche. [[File:Intel486 System Arbitration.png|centre|vignette|upright=2|Système avec deux Intel486 - Arbitrage du bus mémoire.]] De nos jours, les cartes mères pour serveur n'utilisent plus de bus partagé, mais utilisent un réseau d'interconnexion plus élaboré. Le réseau en question est un vrai réseau, qui peut être un réseau en anneau, un réseau crossbar, un réseau routé, etc. Le réseau d'interconnexion relie entre eux les cœurs, l'interface avec la mémoire RAM, le cache partagé L3/L4, mais aussi le bus PCI-Express, le GPU et quelques autres circuits séparés. [[File:Architecture multicoeurs et réseau sur puce.png|centre|vignette|upright=1.5|Architecture multicoeurs et réseau sur puce]] Les systèmes multi-processeurs modernes utilisent des réseaux d'interconnexion standardisés, les standards les plus communs étant l'HyperTransport, l'Intel QuickPath Interconnect, l'IBM Elastic Interface, le Intel Ultra Path Interconnect, l'Infinity Fabric, etc. Ils remplacent le fameux ''front-side bus'' des tout premiers processeurs multicœurs. ===Les systèmes multiprocesseur symétriques et asymétriques=== Les systèmes multiprocesseur utilisent souvent des processeurs identiques. C'est la la solution la plus simple et la plus pratique, si on veut gagner en performance. Cependant, il existe des systèmes multiprocesseurs sur lequels les deux processeurs utilisés ne sont pas identiques. La différence est suffisamment importante pour qu'on ait mis un nom dessus. On parle de '''multiprocesseur symétrique''' si les processeurs sont identiques, '''multiprocesseur asymétrique''' s'ils sont différents. Le multiprocesseur asymétrique peut sembler assez contreintuitif. Mais pourtant, nous en avons rencontré précédemment dans ce cours ! Rappelez-vous quand nous avions parlé des co-processeurs. Il s'agissait formellement de multiprocesseur asymétrique. Pour rappel, les co-processeurs sont des processeurs utilisés en complément du processeur principal, afin de le décharger de certains calculs. Les plus connus sont certainement les co-processeurs arithmétiques, qui étaient des FPU externalisées, utilisées à une époque où les CPU n'intégraient pas de FPU. Mais nous allons laisser ceux-ci de côté pour une raison simple : ils ne permettaient pas d'exécution en parallèle ! Avec eux, le CPU principal se met en pause en attendant que le coprocesseur finisse son travail. Les deux processeurs se passent la main pour exécuter un programme unique. On parle alors de '''coprocesseurs fortement couplés'''. pour le dire autrement, il y a deux manières d'utiliser un co-processeur : soit le CPU et le co-processeur se passent à la main à tour de rôle, soit ils travaillent en parallèle. Si le CPU et le coprocesseur travaillent en parallèle, ils exécutent des programmes différents. On a un programme qui s’exécute sur le coprocesseur, un autre qui s’exécute sur le CPU. On parle alors de '''coprocesseurs faiblement couplés'''. C'est le cas pour tous les coprocesseurs, à l'exception des co-processeurs arithmétiques. Et ce sont eux qui nous intéressent ici. ===Les interruptions inter-processeurs=== Les différents processeurs sont gérés par le système d'exploitation de l'ordinateur, avec l'aide d''''interruptions inter-processeurs''', des interruptions déclenchées sur un processeur et exécutées sur un autre, éventuellement par tous les autres pour certaines interruptions spécifiques. Pour générer des interruptions inter-processeur, le contrôleur d'interruption doit pouvoir rediriger des interruptions déclenchées par un processeur vers un autre. Un exemple d'implémentation très simple est celui de la console Néo-géo, qui contenait deux processeurs. Le premier est un Motorola 68000 qui sert de processeur principal, l'autre est un Z80 qui sert de processeur dédié à l'audio. Le Z80 commande un synthétiseur sonore, et est relié à sa propre mémoire, distincte de la mémoire principale. Le MC68000 est le processeur principal et a une relation maitre-esclave avec le Z80 : le MC68000 envoie des interruptions au Z80, mais la communication ne va pas dans l'autre sens. Les deux processeurs communiquent via l'intermédiaire d'un '''''IO arbiter chip''''', un circuit sur la carte mère connecté au bus, qui gère les interruptions inter-processeur. Il contient un registre de 8 bits, dans lequel le MC68000 peut écrire dedans à sa guise, le registre étant adressable par le processeur. Les valeurs écrites dans ce registre sont des numéros d'interruption, qui indiquent quelle routine d'interruption exécuter. Lorsque le MC68000 écrit une valeur dedans, cela déclenche l’exécution automatique d'une interruption sur le Z80. Le code de 8 bits est envoyé au processeur Z80, en parallèle de l'interruption. : Il est possible de voir ce ''IO arbiter chip'' comme un contrôleur d'interruptions spécialisé dans les interruptions inter-processeur. Les anciens PC incorporaient sur leur carte mère un contrôleur d'interruption créé par Intel, le 8259A, qui ne gérait pas les interruptions inter-processeurs. Les cartes mères multiprocesseurs devaient incorporer un contrôleur spécial en complément. De nos jours, chaque cœur x86 possède son propre contrôleur d’interruption, le local APIC, qui gère les interruptions en provenance ou arrivant vers ce processeur. On trouve aussi un IO-APIC, qui gère les interruptions en provenance des périphériques et de les redistribuer vers les APIC locaux. L'IO-APIC gère aussi les interruptions inter-processeurs en faisant passer les interruptions d'un local APIC vers un autre. Tous les APIC locaux et l'IO-APIC sont reliés ensembles par un bus APIC spécialisé, par lequel ils vont pouvoir communiquer et s'échanger des demandes d'interruptions. [[File:Contrôleurs d'interrptions sur systèmes x86 multicoeurs.png|centre|vignette|upright=1.5|Contrôleurs d’interruptions sur systèmes x86 multicœurs.]] On peut préciser le processeur de destination en configurant certains registres du IO-APIC, afin que celui-ci redirige la demande d'interruption d'un local APIC vers celui sélectionné. Cela se fait avec l'aide d'un registre de 64 bits nommé l'''Interrupt Command Register''. Pour simplifier le mécanisme complet, chaque processeur se voit attribuer un Id au démarrage qui permet de l'identifier (en fait, cet Id est attribué au local APIC de chaque processeur). Certains bits de ce registre permettent de préciser quel est le type de transfert : doit-on envoyer l'interruption au processeur émetteur, à tous les autres processeurs, à un processeur particulier. Dans le dernier cas, certains bits du registre permettent de préciser l'Id du processeur qui va devoir recevoir l'interruption. À charge de l'APIC de faire ce qu'il faut en fonction du contenu de ce registre. ==Les processeurs multicœurs== Puis, avec les progrès en matière de miniaturisation des processeurs, les fabricants ont eu l'idée d'utiliser les transistors qu'ils avaient pour fabriquer des '''processeurs multicœurs''', un terme que vous avez peut-être déjà entendu sans vraiment comprendre ce qu'il signifiait réellement. Les processeurs multicœurs peuvent être vus comme un regroupement de plusieurs processeurs sur la même puce de silicium. Pour être plus précis, ils contiennent plusieurs ''cœurs'', chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, que ce soit un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœurs, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Le multicœurs symétrique ou asymétrique=== Dans la grosse majorité des cas, les cœurs d'un processeur multicœurs sont tous identiques. Mais ce n'est certainement pas une obligation et on peut très bien mettre plusieurs cœurs assez différents sur la même puce. On peut par exemple utiliser un cœur principal avec des cœurs plus spécialisés autour. Il faut ainsi distinguer le '''multicœurs symétrique''', dans lequel on place des processeurs identiques sur la même puce de silicium, du '''multicœurs asymétrique''' où les cœurs ne sont pas identiques. Un exemple est celui du processeur CELL de la console de jeu PS3. Il intègre un cœur principal POWER PC v5 et 8 coeurs qui servent de processeurs auxiliaires. Le processeur principal est appelé le PPE et les processeurs auxiliaires sont les SPE. Les SPE sont reliés à une mémoire locale (''local store'') de 256 kibioctets qui communique avec le processeur principal via un bus spécial. Les SPE communiquent avec la RAM principale via des contrôleurs DMA. Les SPE possèdent des instructions permettant de commander leur contrôleur DMA et c'est le seul moyen qu'ils ont pour récupérer des informations depuis la mémoire. Et c'est au programmeur de gérer tout ça ! C'est le processeur principal qui va envoyer aux SPE les programmes qu'ils doivent exécuter. Il délègue des calculs aux SPE en écrivant dans le local store du SPE et en lui ordonnant l’exécution du programme qu'il vient d'écrire. [[File:Schema Cell.png|centre|vignette|upright=2|Architecture du processeur CELL de la PS3. Le PPE est le processeur principal, les SPE sont des processeurs auxiliaires qui comprennent : un ''local store'' noté LS, un processeur noté SXU, et un contrôleur DMA pour échanger des informations avec la mémoire principale.]] ===Les architectures à cœurs conjoints=== Sur certains processeurs multicœurs, certains circuits sont partagés entre plusieurs cœurs. Typiquement, l'unité de calcul flottante est partagée entre deux coeurs/''threads'', les unités SIMD qu'on verra dans quelques chapitres sont aussi dans ce cas. Le partage de circuits permet d'éviter de dupliquer trop de circuits et donc d'économiser des transistors. Le problème est que ce partage est source de dépendances structurelles, ce qui peut entraîner des pertes de performances. Cette technique consistant de partage d'unités de calcul entre coeurs s'appelle le '''cluster multithreading''', ou encore les '''architectures à cœurs conjoints''' (''Conjoined Core Architectures''). Elle est notamment utilisée sur les processeurs AMD de microarchitecture Bulldozer, incluant ses trois révisions ultérieures nommées Piledriver, Steamroller et Excavator. Un exemple est celui des processeurs AMD FX-8150 et FX-8120. Sur ces processeurs, les instructions sont chargées dans deux files d'instructions séparées, une par ''thread'' matériel. Les instructions sont ensuite décodées par un décodeur unique et renommées dans une unité de renommage unique. Par la suite, il y a deux voies entières séparées et une voie flottante partagée. Chaque voie entière a sa propre fenêtre d'instruction entière, son tampon de ré-ordonnancement, ses unités de calcul dédiées, ses registres, sa ''load-store queue'', son cache L1. Par contre, la voie flottante partage les unités de calcul flottantes et n'a qu'une seule fenêtre d'instruction partagée par les deux ''threads''. [[File:AMD Bulldozer microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Bulldozer d'AMD.]] La révision Steamroller sépara le ''front-end'' en deux voies distinctes, une par ''thread''. Concrètement, elle ajouta un second décodeur d'instruction, une seconde file de micro-opération et une seconde unité de renommage de registres, afin d'améliorer les performances. Niveaux optimisations mineures, les stations de réservation ont été augmentées, elles peuvent mémoriser plus de micro-opérations, idem pour les bancs de registre et les files de lecture/écriture. Un cache de micro-opérations a été ajouté, de même que des optimisations quant au renommage de registre. Des ALU ont aussi été ajoutées, des FPU retirées. [[File:AMD excavator microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Excavator d'AMD.]] ===Les architectures ''many core''=== Les architectures ''many core'' ont un très grand nombre de cœurs, plus d'une cinquantaine, voire plusieurs centaines ou milliers. La différence est surtout une question de degré, mais aussi de but recherché. Les architectures multicœurs sont surtout conçues pour les ordinateurs personnels, éventuellement les serveurs. Elles recherchent un bon compromis entre un grand nombre de cœurs, et une bonne performance pour les programmes non-parallèles. En clair, elles évitent de sacrifier les performances pour les applications non-parallèles, ce qui fait que leurs cœurs sont généralement très puissants, avec beaucoup d'optimisations micro-architecturales. Les architectures ''many core'' font le compromis inverse : elles ont beaucoup de cœurs, mais ceux-ci ne sont pas très puissants, surtout pour les applications non-parallèles. Les cœurs des architectures ''many core'' sont généralement des cœurs sans exécution dans le désordre, sans prédiction de branchements, sans renommage de registres, voire sans pipeline ni parallélisme d'instruction. ==Le partage des caches== Quand on conçoit un processeur multicœur, il ne faut pas oublier ce qui arrive à la pièce maîtresse de tout processeur actuel : le cache ! Pour le moment nous allons oublier le fait que les processeurs ont une hiérarchie de caches, avec des caches L1, L2, L3 et autres. Nous allons partir du principe qu'un processeur simple cœur a un seul cache, et voir comment adapter le cache à la présence de plusieurs cœurs. Nous allons rapidement lever cette hypothèse, pour étudier le cas où un processeur multicœur a une hiérarchie de caches, mais seulement après avoir vu le cas le plus simple à un seul cache. ===Le partage des caches sans hiérarchie de caches : caches dédiés et partagés=== Avec un seul niveau de cache, sans hiérarchie, deux solutions sont possibles. La première consiste à garder un seul cache, et de le partager entre les cœurs. L'autre solution est de dupliquer le cache et d'utiliser un cache par cœur. Les deux solutions sont appelées différemment. On parle de '''caches dédiés''' si chaque cœur possède son propre cache, et de '''cache partagé''' avec un cache partagé entre tous les cœurs. Ces deux méthodes ont des inconvénients et des avantages. {| |[[File:Caches dédiés.png|vignette|Caches dédiés]] |[[File:Caches partagés.png|vignette|Cache partagé]] |} Le premier point sur lequel comparer caches dédiés et partagés est celui de la capacité du cache. La quantité de mémoire cache que l'on peut placer dans un processeur est limitée, car le cache prend beaucoup de place, près de la moitié des circuits du processeur. Aussi, un processeur incorpore une certaine quantité de mémoire cache, qu'il faut répartir entre un ou plusieurs caches. Les caches dédiés et partagés ne donnent pas le même résultat. D'un côté, le cache partagé fait que toute la mémoire cache est dédiée au cache partagé, qui est très gros. De l'autre, on doit répartir la capacité du cache entre plusieurs caches séparés, individuellement plus petits. En conséquence, on a le choix entre un petit cache pour chaque processeur ou un gros cache partagé. Le choix entre les deux n'est pas simple, mais doit tenir compte du fait que les programmes exécutés sur les cœurs n'ont pas les mêmes besoins. Certains programmes sont plus gourmands et demandent beaucoup de cache, alors que d'autres utilisent peu la mémoire cache. Avec un cache dédié, tous les programmes ont accès à la même quantité de cache, car les caches des différents cœurs sont de la même taille. Les caches dédiés étant assez petits, les programmes plus gourmands devront se débrouiller avec un petit cache, alors que les autres programmes auront du cache en trop. À l'opposé, un cache partagé répartit le cache de manière optimale : un programme gourmand peut utiliser autant de cache qu'il veut, laissant juste ce qu'il faut aux programmes moins gourmands. le cache peut être répartit plus facilement selon les besoins des différents programmes. [[File:Cache partagé contre cache dédié.png|centre|vignette|upright=2.5|Cache partagé contre cache dédié]] Un autre avantage des caches partagés est quand plusieurs cœurs accèdent aux même données. C'est un cas très courant, souvent lié à l'usage de mémoire partagé ou de ''threads''. Avec des caches dédiés, chaque cœur a une copie des données partagées. Mais avec un cache partagé, il n'y a qu'une seule copie de chaque donnée, ce qui utilise moins de mémoire cache. Imaginons que l'on sait 8 caches dédiés de 8 Kibioctets, soit 64 kibioctets au total, comparé à un cache partagé de même capacité totale. Les doublons dans les caches dédiés réduiront la capacité mémoire utile, effective, comparé à un cache partagé. S'il y a 1 Kibioctet de mémoire partagé, 8 kibioctets seront utilisés pour stocker ces données en doublons, seulement 1 kibioctet sur un cache partagé. Ajoutons aussi que la cohérence des caches est grandement simplifiée avec l'usage d'un cache partagé, vu que les données ne sont pas dupliquées dans plusieurs caches. Mais le partage du cache peut se transformer en inconvénient si les programmes entrent en compétition pour le cache, que ce soit pour y placer des données ou pour les accès mémoire. Deux programmes peuvent vouloir accéder au cache en même temps, voire carrément se marcher sur les pieds. La résolution des conflits d'accès au cache est résolu soit en prenant un cache multiport, avec un port dédié par cœur, soit par des mécanismes d'arbitrages avec des circuits dédiés. Le revers de la médaille tient au temps de latence. Plus un cache est gros, plus il est lent. En conséquence, des caches dédiés seront plus rapides qu'un gros cache partagé plus lent. ===Le partage des caches adapté à une hiérarchie de caches=== Dans la réalité, un processeur multicœur ne contient pas qu'un seul cache, mais une hiérarchie de caches avec des caches L1, L2 et L3, parfois L4. Dans cette hiérarchie, certains caches sont partagés entre plusieurs cœurs, les autres sont dédiés. Le cache L1 n'est jamais partagé, car il doit avoir un temps d'accès très faible. Pour les autres caches, tout dépend du processeur. [[File:Dual Core Generic.svg|vignette|Cache L2 partagé.]] Les premiers processeurs multicœurs commerciaux utilisaient deux niveaux de cache : des caches L1 dédiés et un cache L2 partagé. Le cache L2 partagé était relié aux caches L1, grâce à un système assez complexe d'interconnexions. Le cache de niveau L2 était souvent simple port, car les caches L1 se chargent de filtrer les accès aux caches de niveau inférieurs. Les processeurs multicœurs modernes ont des caches L3 et même L4, de grande capacité, ce qui a modifié le partage des caches. Le cache de dernier niveau, à savoir le cache le plus proche de la mémoire, est systématiquement partagé, car son rôle est d'être un cache lent mais gros. Il s'agit le plus souvent d'un cache de L3, plus rarement L4. Sur certains processeurs multicœurs, le cache de dernier niveau n'est techniquement pas dans le cœur, mais fait partie d'un ensemble de circuits reliés, comme le contrôleur mémoire ou l'interface mémoire. Il fonctionne à une fréquence différente du processeur, n'a pas la même tension d'alimentation, etc. Le cas du cache L2 dépend des architectures : il est partagé sur certains processeurs, dédié sur d'autres. Mais sur les processeurs modernes, c'est un cache dédié soit par cœur, soit pour un groupe de cœurs. Dans le cas le plus courant, chaque cache L2 est partagé entre plusieurs cœurs mais pas à tous. En effet, on peut limiter le partage du cache à quelques cœurs particuliers pour des raisons de performances. [[File:Partage des caches sur un processeur multicoeurs.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur multicœur.]] D'autres processeurs ont des caches L2 dédiés. Il s'agit surtout des processeurs multicœurs anciens, parmi les premières générations de processeurs multicœurs. Un exemple est celui de la microarchitecture Nehalem d'Intel. Il avait des caches L1 et L2 dédiés, mais un cache L3 partagé. [[File:Nehalem EP.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur Intel d'architecture Nehalem.]] ===Les caches partagés centralisés et distribués=== Un point important est que quand on parle de cache partagé ou de cache dédié, on ne parle que de la manière dont les cœurs peuvent accéder au cache, pas de la manière dont le caches est réellement localisé sur la puce. En théorie, qui dit plusieurs caches dédiés signifie que l'on a vraiment plusieurs caches séparés sur la puce. Et chaque cache dédié est proche du cœur qui lui est attribué. Et pour les caches partagés unique, une portion de la puce de silicium contient le cache, que cette portion est un énorme bloc de transistors. Il est généralement placé au milieu de la puce ou sur un côté, histoire de facilement le connecter à tous les cœurs. Mais pour les caches séparés, ce n'est pas toujours le cas. Avoir un cache énorme poserait des problèmes sur les architectures avec beaucoup de cœurs. En réalité, le cache est souvent découpé en plusieurs banques, reliées à un contrôleur du cache par un système d'interconnexion assez complexe. Les banques sont physiquement séparées, et il arrive qu'elles soient placées proche d'un cœur chacune. L'organisation des banques ressemble beaucoup à l'organisation des caches dédiés, avec une banque étant l'équivalent d'un cache dédié. La différence est que les cœurs peuvent lire et écrire dans toutes les banques, grâce au système d'interconnexion et au contrôleur de cache. Tel était le cas sur les processeurs AMD Jaguar. Ils avaient un cache L2 de 2 mébioctets, partagés entre tous les cœurs, qui était composé de 4 banques de 512 Kibioctets. Les quatre banques du cache étaient reliées aux 4 cœurs par un réseaux d'interconnexion assez complexe. [[File:AMDJaguarModule.png|centre|vignette|upright=2|AMD Jaguar Module]] La différence entre les deux solutions pour les caches partagés porte le nom de cache centralisés versus distribués. Un gros cache unique sur la puce est un '''cache centralisé''', et c'est généralement un cache partagé. Mais un cache composé de plusieurs banques dispersées sur la puce est un '''cache distribué''', qui peut être aussi bien dédié que partagé. ===Les caches virtualisés=== Il faut noter que quelques processeurs utilisent cette technique pour fusionnent le cache L2 et le cache L3. Par exemple, les processeurs IBM Telum utilisent des caches L3 virtualisés, dans leurs versions récentes. Le processeur Telum 2 contient 10 caches L2 de 36 mébioctets chacun, soit 360 mébioctets de cache. L'idée est que ces 360 mébioctets sont partagés à la demande entre cache L2 dédié et cache L3. On parle alors de '''cache virtualisé'''. Un cache de 36 mébioctet est associé à un cœur, auquel il est directement relié. Les cœurs n'utilisent pas tous leur cache dédié à 100% Il arrive que des cœurs aient des caches partiellement vides, alors que d'autres on un cache qui déborde. L'idée est que si un cœur a un cache plein, les données évincées du cache L2 privé sont déplacées dans le cache L2 d'un autre cœur, qui lui est partiellement vide. Le cache L2 en question est alors partitionné en deux : une portion pour les données associée à son cœur, une portion pour les données des L2 des autres cœurs. Pour que la technique fonctionne, le processeur mesure le remplissage de chaque cache L2. De plus, il faut gérer la politique de remplacement des lignes de cache. Une ligne de cache évincée du cache doit être déplacé dans un autre L2, pas dans les niveaux de cache inférieur, ni dans la mémoire. Du moins, tant qu'il reste de la place dans le cache L3. De plus, une lecture/écriture dans le cache L3 demande de localiser le cache L2 contenant la donnée. Pour cela, les caches L2 sont tous consultés lors d'un accès au L3, c'est la solution la plus simple, elle marche très bien si le taux de défaut du cache L2 est faible. Une telle optimisation ressemble beaucoup à un cache L2/L3 distribué, mais il y a quelques différences qui sont décrites dans le paragraphe précédent. Avec un L2 distribué, tout accès au L2 déclencherait une consultation de toutes les banques du L2. Avec un cache L3 virtualisé, ce n'est pas le cas. Le cache L2 associé au cœur est consulté, et c'est seulement en cas de défaut de cache que les autres caches L2 sont consultés. De plus, avec un cache L2 distribué, il n'y a pas de déplacement d'une ligne de cache entre deux banques, entre deux caches L2 physiques. Alors qu'avec un cache L3 virtualisé, c'est le cas en cas de remplacement d'une ligne de cache dans le cache L2. Sur le processeur Telum 1, le partage du cache L2 est assez simple. Un cache L2 fait 32 mébioctets et est découpé en deux banques de 16 mébioctets. En temps normal, les premiers 16 mébioctets sont toujours associé au cache L2, au cœur associé. Les 16 mébioctets restants peuvent soit être attribués au cache L3, soit fusionnés avec les 16 premiers mébioctets. Dans le cas où le cœur associé est en veille, n'est absolument pas utilisé, les 32 mébioctets sont attribués au cache L3. Un partage assez simple, donc. Le partage du cache L2/L3 sur les processeurs Telum 2 n'est pas connu, il est supposé être plus flexible. ==Le réseau d'interconnexion entre cœurs== Les CPU multicœurs connectent plusieurs cœurs entre eux, tout comme les systèmes multi-processeurs connectent plusieurs processeurs entre eux. Mais les transferts de données entre cœurs se font par l'intermédiaire des caches, ce qui fait que l'implémentation est différente de celle utilisée sur les systèmes multi-processeurs. Les standards pour les interconnexions entre coeurs sont assez proches de ceux utilisés pour interconnecter des processeurs, mais les standards utilisés ne sont pas les mêmes en pratique. Là encore, les cœurs sont connectés entre eux soit par un bus, soit par un réseau d'interconnexion. ===Le bus partagé entre plusieurs cœurs=== Une solution simple relie les cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Le cas le plus simple est celui où chaque cœur dispose de caches dédiés, qui sont alors tous reliés au bus mémoire, qui sert d'intermédiaire. Mais l'idée doit être adaptée sur les processeurs multicœurs avec des caches partagés. Voyons d'abord le cas d'un CPU avec deux niveaux de cache, dont un cache L2 est partagé entre tous les cœurs. Les caches L1 sont reliés au cache L2 partagé par un bus, qui n'a souvent pas de nom. Nous désignerons le bus entre le cache L1 et le cache L2 : '''bus partagé''', sous-entendu partagé entre tous les caches. C'est lui qui sert à connecter les cœurs entre eux. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2]] Un processeur multicœur typique a une architecture avec trois niveaux de cache (L1, L2 et L3), avec un niveau L1 dédié par cœur, un niveau L2 partiellement partagé et un L3 totalement partagé. Le bus partagé est alors difficile à décrire, mais il correspond à l'ensemble des bus qui connectent les caches L1 aux caches L2, et les caches L2 au cache L3. Il s'agit alors d'un ensemble de bus, plus que d'un bus partagé unique. L'usage d'un bus partagé a cependant de nombreux défauts dont nous parlerons en détail du bus partagé dans le chapitre sur la cohérence des caches. ===Le réseau d'interconnexion entre plusieurs cœurs=== Relier plusieurs cœurs avec des bus pose de nombreux problèmes techniques qui sont d'autant plus problématiques que le nombre de cœurs augmente. Le câblage est notamment très complexe, les contraintes électriques pour la transmission des signaux sont beaucoup plus fortes, les problèmes d'arbitrages se font plus fréquents, etc. Pour régler ces problèmes, les processeurs multicoeurs n'utilisent pas de bus partagé, mais un réseau d'interconnexion plus complexe. Un exemple de réseau d'interconnexion est celui des architectures AMD EPYC, de microarchitecture Zen 1. Elles utilisaient des chiplets, à savoir que le processeur était composé de plusieurs puces interconnectées entre elles. Chaque puce contenait un processeur multicoeurs intégrant un cache L3, avec un réseau d'interconnexion interne au processeur sans doute basé sur un ensemble de bus. De plus, les puces étaient reliées à une puce d'interconnexion qui servait à la fois d'interface entre les processeurs, mais aussi d'interface avec la R1AM, le bus PCI-Express, etc. La puce d'interconnexion était gravée en 14 nm contre 7nm pour les chiplets des cœurs. {| |[[File:AMD Epyc 7702 delidded.jpg|centre|vignette|upright=2|AMD Epyc 7702.]] |[[File:AMD Epyc Rome Aufbau.png|centre|vignette|upright=2|Schéma fonctionnel de l'AMD Epyc.]] |} Le réseau d'interconnexion peut être très complexe, avec des connexions réseau, des commutateurs, et des protocoles d'échanges entre processeurs assez complexes basés sur du passage de messages. De telles puces utilisent un '''réseau sur puce''' (''network on chip''). Mais d'autres simplifient le réseau d'interconnexion, qui se résume à un réseau ''crossbar'', voire à des mémoires FIFO pour faire l'interface entre les cœurs. Le problème principal des réseaux sur puce est que les mémoires FIFOs sont difficiles à implémenter sur une puce de silicium. Elles prennent beaucoup de place, utilisent beaucoup de portes logiques, consomment beaucoup d'énergie, sont difficiles à concevoir pour diverses raisons (les accès concurrents/simultanés sont fréquents et font mauvais ménage avec les ''timings'' serrés de quelques cycles d'horloges requis). Il est donc impossible de placer beaucoup de mémoires FIFO dans un processeur, ce qui fait que les commutateur sont réduits à leur strict minimum : un réseau d'interconnexion, un système d'arbitrage simple parfois sans aucune FIFO, guère plus. ===Les architectures en ''tile''=== Un cas particulier de réseau sur puce est celui des '''architectures en ''tile''''', des architectures avec un grand nombre de cœurs, connectés les unes aux autres par un réseau d'interconnexion "rectangulaire". Chaque cœur est associé à un commutateur (''switch'') qui le connecte au réseau d'interconnexion, l'ensemble formant une ''tile''. [[File:Tile64-Tile.svg|centre|vignette|upright=1.5|''Tile'' de base du Tile64.]] Le réseau est souvent organisé en tableau, chaque ''tile'' étant connectée à plusieurs voisines. Dans le cas le plus fréquent, chaque ''tile'' est connectée à quatre voisines : celle du dessus, celle du dessous, celle de gauche et celle de droite. Précisons que cette architecture n'est pas une architecture distribuée dont tous les processeurs seraient placés sur la même puce de silicium. En effet, la comparaison ne marche pas pour ce qui est de la mémoire : tous les cœurs accèdent à une mémoire partagée située en dehors de la puce de silicium. Le réseau ne connecte pas plusieurs ordinateurs séparés avec chacun leur propre mémoire, mais plusieurs cœurs qui accèdent à une mémoire partagée. Un bon exemple d'architecture en ''tile'' serait les déclinaisons de l'architecture Tilera. Les schémas du-dessous montrent l'architecture du processeur Tile 64. Outre les ''tiles'', qui sont les éléments de calcul de l'architecture, on trouve plusieurs contrôleurs mémoire DDR, divers interfaces réseau, des interfaces série et parallèles, et d'autres entrées-sorties. [[File:Tile64.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture Tile64 du Tilera.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=Les architectures parallèles | prevText=Les architectures parallèles | next=Architectures multithreadées et Hyperthreading | nextText=Architectures multithreadées et Hyperthreading }} </noinclude> 9unkng8p9toemstgtdruj0aojifgqoi 762439 762437 2026-03-28T14:51:32Z Mewtow 31375 /* Les systèmes multiprocesseur symétriques et asymétriques */ 762439 wikitext text/x-wiki Pour réellement tirer parti du parallélisme de taches, rien ne vaut l'utilisation de plusieurs processeurs et/ou de plusieurs ordinateurs, qui exécutent chacun un ou plusieurs programmes dans leur coin. Si utiliser plusieurs ordinateurs connectés par un réseau local est une solution simple et facile à implémenter, elle est cependant assez onéreuse et demande des logiciels adaptés qui permettent de profiter d'une telle architecture matérielle. D'autres solutions multiprocesseurs ont alors vu le jour pour rendre l'usage de plusieurs processeurs plus adéquat. ==Les systèmes multiprocesseur== Les '''systèmes multiprocesseur''' placent plusieurs processeurs sur la même carte mère. Ils sont courants dans les serveurs ou les ''data centers'', mais sont beaucoup plus rares pour les ordinateurs grand public. Il y a eu quelques systèmes multiprocesseur vendus au grand public dans les années 2000, certaines cartes mères avaient deux sockets pour mettre deux processeurs. Mais les logiciels et les systèmes d'exploitation grand public n'étaient pas adaptés pour, la demande pour des ordinateurs multiprocesseurs était limitée à quelques professionnels et ne justifiait pas un investissement majeur dans ces technologies. Au final, le gain était assez faible en terme de performance, peu de logiciels grand public profitaient de l'usage de plusieurs processeurs, la technologie est restée confidentielle. Du moins, avant l'arrivée des processeurs multicœur, après 2005. Nous allons voir les systèmes multiprocesseur à part des processeurs multicœurs. Il faut dire qu'utiliser plusieurs processeurs et avoir plusieurs cœurs sur la même puce, ce n'est pas la même chose. Particulièrement pour ce qui est de la mémoire cache. ===Le réseau d'interconnexion inter-processeur=== Les cartes mères multi-processeurs incorporent un réseau d'interconnexion pour connecter les processeurs à la mémoire RAM, au reste de l'ordinateur, et aussi pour les connecter entre eux. Il s'agit d'un '''réseau d'interconnexion inter-processeur''', placé sur la carte mère. Les processeurs sont tous connectés en utilisant deux solutions : soit avec un bus, soit avec un réseau d'interconnexion très complexe. Une solution simple relie les processeurs/cœurs entre eux grâce au bus mémoire. Le réseau d'interconnexion est donc un bus, partagé avec tous les processeurs. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multiprocesseurs à bus partagé]] Le bus mémoire est donc un '''bus partagé''', avec tout ce que cela implique. Les processeurs doivent se répartir l'accès au bus mémoire, il faut gérer le cas où deux processeurs accèdent au bus en même temps, etc. Pour cela, un composant dédié s'occupe de l'arbitrage entre processeurs. Il est généralement placé sur la carte mère de l'ordinateur, dans le ''chipset'', dans le pont nord, ou un endroit proche. [[File:Intel486 System Arbitration.png|centre|vignette|upright=2|Système avec deux Intel486 - Arbitrage du bus mémoire.]] De nos jours, les cartes mères pour serveur n'utilisent plus de bus partagé, mais utilisent un réseau d'interconnexion plus élaboré. Le réseau en question est un vrai réseau, qui peut être un réseau en anneau, un réseau crossbar, un réseau routé, etc. Le réseau d'interconnexion relie entre eux les cœurs, l'interface avec la mémoire RAM, le cache partagé L3/L4, mais aussi le bus PCI-Express, le GPU et quelques autres circuits séparés. [[File:Architecture multicoeurs et réseau sur puce.png|centre|vignette|upright=1.5|Architecture multicoeurs et réseau sur puce]] Les systèmes multi-processeurs modernes utilisent des réseaux d'interconnexion standardisés, les standards les plus communs étant l'HyperTransport, l'Intel QuickPath Interconnect, l'IBM Elastic Interface, le Intel Ultra Path Interconnect, l'Infinity Fabric, etc. Ils remplacent le fameux ''front-side bus'' des tout premiers processeurs multicœurs. ===Les systèmes multiprocesseur symétriques et asymétriques=== Les systèmes multiprocesseur utilisent souvent des processeurs identiques. C'est la la solution la plus simple et la plus pratique, si on veut gagner en performance. Cependant, il existe des systèmes multiprocesseurs sur lequels les deux processeurs utilisés ne sont pas identiques. La différence est suffisamment importante pour qu'on ait mis un nom dessus. On parle de '''multiprocesseur symétrique''' si les processeurs sont identiques, '''multiprocesseur asymétrique''' s'ils sont différents. Le multiprocesseur asymétrique peut sembler assez contreintuitif. Mais pourtant, nous en avons rencontré précédemment dans ce cours ! Rappelez-vous quand nous avions parlé des co-processeurs. Il s'agissait formellement de multiprocesseur asymétrique. Pour rappel, les co-processeurs sont des processeurs utilisés en complément du processeur principal, afin de le décharger de certains calculs. Les plus connus sont certainement les co-processeurs arithmétiques, qui étaient des FPU externalisées, utilisées à une époque où les CPU n'intégraient pas de FPU. Mais nous allons laisser ceux-ci de côté pour une raison simple : ils ne permettaient pas d'exécution en parallèle ! Avec eux, le CPU principal se met en pause en attendant que le coprocesseur finisse son travail. Les deux processeurs se passent la main pour exécuter un programme unique. On parle alors de '''coprocesseurs fortement couplés'''. Pour le dire autrement, il y a deux manières d'utiliser un co-processeur : soit le CPU et le co-processeur se passent à la main à tour de rôle, soit ils travaillent en parallèle. Si le CPU et le coprocesseur travaillent en parallèle, ils exécutent des programmes différents. On a un programme qui s’exécute sur le coprocesseur, un autre qui s’exécute sur le CPU. On parle alors de '''coprocesseurs faiblement couplés'''. C'est le cas pour tous les coprocesseurs, à l'exception des co-processeurs arithmétiques. Et ce sont eux qui nous intéressent ici. ===Les interruptions inter-processeurs=== Les différents processeurs sont gérés par le système d'exploitation de l'ordinateur, avec l'aide d''''interruptions inter-processeurs''', des interruptions déclenchées sur un processeur et exécutées sur un autre, éventuellement par tous les autres pour certaines interruptions spécifiques. Pour générer des interruptions inter-processeur, le contrôleur d'interruption doit pouvoir rediriger des interruptions déclenchées par un processeur vers un autre. Un exemple d'implémentation très simple est celui de la console Néo-géo, qui contenait deux processeurs. Le premier est un Motorola 68000 qui sert de processeur principal, l'autre est un Z80 qui sert de processeur dédié à l'audio. Le Z80 commande un synthétiseur sonore, et est relié à sa propre mémoire, distincte de la mémoire principale. Le MC68000 est le processeur principal et a une relation maitre-esclave avec le Z80 : le MC68000 envoie des interruptions au Z80, mais la communication ne va pas dans l'autre sens. Les deux processeurs communiquent via l'intermédiaire d'un '''''IO arbiter chip''''', un circuit sur la carte mère connecté au bus, qui gère les interruptions inter-processeur. Il contient un registre de 8 bits, dans lequel le MC68000 peut écrire dedans à sa guise, le registre étant adressable par le processeur. Les valeurs écrites dans ce registre sont des numéros d'interruption, qui indiquent quelle routine d'interruption exécuter. Lorsque le MC68000 écrit une valeur dedans, cela déclenche l’exécution automatique d'une interruption sur le Z80. Le code de 8 bits est envoyé au processeur Z80, en parallèle de l'interruption. : Il est possible de voir ce ''IO arbiter chip'' comme un contrôleur d'interruptions spécialisé dans les interruptions inter-processeur. Les anciens PC incorporaient sur leur carte mère un contrôleur d'interruption créé par Intel, le 8259A, qui ne gérait pas les interruptions inter-processeurs. Les cartes mères multiprocesseurs devaient incorporer un contrôleur spécial en complément. De nos jours, chaque cœur x86 possède son propre contrôleur d’interruption, le local APIC, qui gère les interruptions en provenance ou arrivant vers ce processeur. On trouve aussi un IO-APIC, qui gère les interruptions en provenance des périphériques et de les redistribuer vers les APIC locaux. L'IO-APIC gère aussi les interruptions inter-processeurs en faisant passer les interruptions d'un local APIC vers un autre. Tous les APIC locaux et l'IO-APIC sont reliés ensembles par un bus APIC spécialisé, par lequel ils vont pouvoir communiquer et s'échanger des demandes d'interruptions. [[File:Contrôleurs d'interrptions sur systèmes x86 multicoeurs.png|centre|vignette|upright=1.5|Contrôleurs d’interruptions sur systèmes x86 multicœurs.]] On peut préciser le processeur de destination en configurant certains registres du IO-APIC, afin que celui-ci redirige la demande d'interruption d'un local APIC vers celui sélectionné. Cela se fait avec l'aide d'un registre de 64 bits nommé l'''Interrupt Command Register''. Pour simplifier le mécanisme complet, chaque processeur se voit attribuer un Id au démarrage qui permet de l'identifier (en fait, cet Id est attribué au local APIC de chaque processeur). Certains bits de ce registre permettent de préciser quel est le type de transfert : doit-on envoyer l'interruption au processeur émetteur, à tous les autres processeurs, à un processeur particulier. Dans le dernier cas, certains bits du registre permettent de préciser l'Id du processeur qui va devoir recevoir l'interruption. À charge de l'APIC de faire ce qu'il faut en fonction du contenu de ce registre. ==Les processeurs multicœurs== Puis, avec les progrès en matière de miniaturisation des processeurs, les fabricants ont eu l'idée d'utiliser les transistors qu'ils avaient pour fabriquer des '''processeurs multicœurs''', un terme que vous avez peut-être déjà entendu sans vraiment comprendre ce qu'il signifiait réellement. Les processeurs multicœurs peuvent être vus comme un regroupement de plusieurs processeurs sur la même puce de silicium. Pour être plus précis, ils contiennent plusieurs ''cœurs'', chaque cœur pouvant exécuter un programme tout seul. Chaque cœur dispose de toute la machinerie électronique pour exécuter un programme, que ce soit un séquenceur d'instruction, des registres, une unité de calcul. Par contre, certains circuits d'un processeur ne sont présents qu'en un seul exemplaire dans un processeur multicœurs, comme les circuits de communication avec la mémoire ou les circuits d’interfaçage avec la carte mère. Suivant le nombre de cœurs présents dans notre processeur, celui-ci sera appelé un processeur double-cœur (deux cœurs), quadruple-cœur (4 cœurs), octuple-cœur (8 cœurs), etc. Ces processeurs sont devenus la norme dans les ordinateurs grand public et les logiciels et systèmes d'exploitation se sont adaptés. ===Le multicœurs symétrique ou asymétrique=== Dans la grosse majorité des cas, les cœurs d'un processeur multicœurs sont tous identiques. Mais ce n'est certainement pas une obligation et on peut très bien mettre plusieurs cœurs assez différents sur la même puce. On peut par exemple utiliser un cœur principal avec des cœurs plus spécialisés autour. Il faut ainsi distinguer le '''multicœurs symétrique''', dans lequel on place des processeurs identiques sur la même puce de silicium, du '''multicœurs asymétrique''' où les cœurs ne sont pas identiques. Un exemple est celui du processeur CELL de la console de jeu PS3. Il intègre un cœur principal POWER PC v5 et 8 coeurs qui servent de processeurs auxiliaires. Le processeur principal est appelé le PPE et les processeurs auxiliaires sont les SPE. Les SPE sont reliés à une mémoire locale (''local store'') de 256 kibioctets qui communique avec le processeur principal via un bus spécial. Les SPE communiquent avec la RAM principale via des contrôleurs DMA. Les SPE possèdent des instructions permettant de commander leur contrôleur DMA et c'est le seul moyen qu'ils ont pour récupérer des informations depuis la mémoire. Et c'est au programmeur de gérer tout ça ! C'est le processeur principal qui va envoyer aux SPE les programmes qu'ils doivent exécuter. Il délègue des calculs aux SPE en écrivant dans le local store du SPE et en lui ordonnant l’exécution du programme qu'il vient d'écrire. [[File:Schema Cell.png|centre|vignette|upright=2|Architecture du processeur CELL de la PS3. Le PPE est le processeur principal, les SPE sont des processeurs auxiliaires qui comprennent : un ''local store'' noté LS, un processeur noté SXU, et un contrôleur DMA pour échanger des informations avec la mémoire principale.]] ===Les architectures à cœurs conjoints=== Sur certains processeurs multicœurs, certains circuits sont partagés entre plusieurs cœurs. Typiquement, l'unité de calcul flottante est partagée entre deux coeurs/''threads'', les unités SIMD qu'on verra dans quelques chapitres sont aussi dans ce cas. Le partage de circuits permet d'éviter de dupliquer trop de circuits et donc d'économiser des transistors. Le problème est que ce partage est source de dépendances structurelles, ce qui peut entraîner des pertes de performances. Cette technique consistant de partage d'unités de calcul entre coeurs s'appelle le '''cluster multithreading''', ou encore les '''architectures à cœurs conjoints''' (''Conjoined Core Architectures''). Elle est notamment utilisée sur les processeurs AMD de microarchitecture Bulldozer, incluant ses trois révisions ultérieures nommées Piledriver, Steamroller et Excavator. Un exemple est celui des processeurs AMD FX-8150 et FX-8120. Sur ces processeurs, les instructions sont chargées dans deux files d'instructions séparées, une par ''thread'' matériel. Les instructions sont ensuite décodées par un décodeur unique et renommées dans une unité de renommage unique. Par la suite, il y a deux voies entières séparées et une voie flottante partagée. Chaque voie entière a sa propre fenêtre d'instruction entière, son tampon de ré-ordonnancement, ses unités de calcul dédiées, ses registres, sa ''load-store queue'', son cache L1. Par contre, la voie flottante partage les unités de calcul flottantes et n'a qu'une seule fenêtre d'instruction partagée par les deux ''threads''. [[File:AMD Bulldozer microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Bulldozer d'AMD.]] La révision Steamroller sépara le ''front-end'' en deux voies distinctes, une par ''thread''. Concrètement, elle ajouta un second décodeur d'instruction, une seconde file de micro-opération et une seconde unité de renommage de registres, afin d'améliorer les performances. Niveaux optimisations mineures, les stations de réservation ont été augmentées, elles peuvent mémoriser plus de micro-opérations, idem pour les bancs de registre et les files de lecture/écriture. Un cache de micro-opérations a été ajouté, de même que des optimisations quant au renommage de registre. Des ALU ont aussi été ajoutées, des FPU retirées. [[File:AMD excavator microarchitecture.png|centre|vignette|upright=3|Microarchitecture Excavator d'AMD.]] ===Les architectures ''many core''=== Les architectures ''many core'' ont un très grand nombre de cœurs, plus d'une cinquantaine, voire plusieurs centaines ou milliers. La différence est surtout une question de degré, mais aussi de but recherché. Les architectures multicœurs sont surtout conçues pour les ordinateurs personnels, éventuellement les serveurs. Elles recherchent un bon compromis entre un grand nombre de cœurs, et une bonne performance pour les programmes non-parallèles. En clair, elles évitent de sacrifier les performances pour les applications non-parallèles, ce qui fait que leurs cœurs sont généralement très puissants, avec beaucoup d'optimisations micro-architecturales. Les architectures ''many core'' font le compromis inverse : elles ont beaucoup de cœurs, mais ceux-ci ne sont pas très puissants, surtout pour les applications non-parallèles. Les cœurs des architectures ''many core'' sont généralement des cœurs sans exécution dans le désordre, sans prédiction de branchements, sans renommage de registres, voire sans pipeline ni parallélisme d'instruction. ==Le partage des caches== Quand on conçoit un processeur multicœur, il ne faut pas oublier ce qui arrive à la pièce maîtresse de tout processeur actuel : le cache ! Pour le moment nous allons oublier le fait que les processeurs ont une hiérarchie de caches, avec des caches L1, L2, L3 et autres. Nous allons partir du principe qu'un processeur simple cœur a un seul cache, et voir comment adapter le cache à la présence de plusieurs cœurs. Nous allons rapidement lever cette hypothèse, pour étudier le cas où un processeur multicœur a une hiérarchie de caches, mais seulement après avoir vu le cas le plus simple à un seul cache. ===Le partage des caches sans hiérarchie de caches : caches dédiés et partagés=== Avec un seul niveau de cache, sans hiérarchie, deux solutions sont possibles. La première consiste à garder un seul cache, et de le partager entre les cœurs. L'autre solution est de dupliquer le cache et d'utiliser un cache par cœur. Les deux solutions sont appelées différemment. On parle de '''caches dédiés''' si chaque cœur possède son propre cache, et de '''cache partagé''' avec un cache partagé entre tous les cœurs. Ces deux méthodes ont des inconvénients et des avantages. {| |[[File:Caches dédiés.png|vignette|Caches dédiés]] |[[File:Caches partagés.png|vignette|Cache partagé]] |} Le premier point sur lequel comparer caches dédiés et partagés est celui de la capacité du cache. La quantité de mémoire cache que l'on peut placer dans un processeur est limitée, car le cache prend beaucoup de place, près de la moitié des circuits du processeur. Aussi, un processeur incorpore une certaine quantité de mémoire cache, qu'il faut répartir entre un ou plusieurs caches. Les caches dédiés et partagés ne donnent pas le même résultat. D'un côté, le cache partagé fait que toute la mémoire cache est dédiée au cache partagé, qui est très gros. De l'autre, on doit répartir la capacité du cache entre plusieurs caches séparés, individuellement plus petits. En conséquence, on a le choix entre un petit cache pour chaque processeur ou un gros cache partagé. Le choix entre les deux n'est pas simple, mais doit tenir compte du fait que les programmes exécutés sur les cœurs n'ont pas les mêmes besoins. Certains programmes sont plus gourmands et demandent beaucoup de cache, alors que d'autres utilisent peu la mémoire cache. Avec un cache dédié, tous les programmes ont accès à la même quantité de cache, car les caches des différents cœurs sont de la même taille. Les caches dédiés étant assez petits, les programmes plus gourmands devront se débrouiller avec un petit cache, alors que les autres programmes auront du cache en trop. À l'opposé, un cache partagé répartit le cache de manière optimale : un programme gourmand peut utiliser autant de cache qu'il veut, laissant juste ce qu'il faut aux programmes moins gourmands. le cache peut être répartit plus facilement selon les besoins des différents programmes. [[File:Cache partagé contre cache dédié.png|centre|vignette|upright=2.5|Cache partagé contre cache dédié]] Un autre avantage des caches partagés est quand plusieurs cœurs accèdent aux même données. C'est un cas très courant, souvent lié à l'usage de mémoire partagé ou de ''threads''. Avec des caches dédiés, chaque cœur a une copie des données partagées. Mais avec un cache partagé, il n'y a qu'une seule copie de chaque donnée, ce qui utilise moins de mémoire cache. Imaginons que l'on sait 8 caches dédiés de 8 Kibioctets, soit 64 kibioctets au total, comparé à un cache partagé de même capacité totale. Les doublons dans les caches dédiés réduiront la capacité mémoire utile, effective, comparé à un cache partagé. S'il y a 1 Kibioctet de mémoire partagé, 8 kibioctets seront utilisés pour stocker ces données en doublons, seulement 1 kibioctet sur un cache partagé. Ajoutons aussi que la cohérence des caches est grandement simplifiée avec l'usage d'un cache partagé, vu que les données ne sont pas dupliquées dans plusieurs caches. Mais le partage du cache peut se transformer en inconvénient si les programmes entrent en compétition pour le cache, que ce soit pour y placer des données ou pour les accès mémoire. Deux programmes peuvent vouloir accéder au cache en même temps, voire carrément se marcher sur les pieds. La résolution des conflits d'accès au cache est résolu soit en prenant un cache multiport, avec un port dédié par cœur, soit par des mécanismes d'arbitrages avec des circuits dédiés. Le revers de la médaille tient au temps de latence. Plus un cache est gros, plus il est lent. En conséquence, des caches dédiés seront plus rapides qu'un gros cache partagé plus lent. ===Le partage des caches adapté à une hiérarchie de caches=== Dans la réalité, un processeur multicœur ne contient pas qu'un seul cache, mais une hiérarchie de caches avec des caches L1, L2 et L3, parfois L4. Dans cette hiérarchie, certains caches sont partagés entre plusieurs cœurs, les autres sont dédiés. Le cache L1 n'est jamais partagé, car il doit avoir un temps d'accès très faible. Pour les autres caches, tout dépend du processeur. [[File:Dual Core Generic.svg|vignette|Cache L2 partagé.]] Les premiers processeurs multicœurs commerciaux utilisaient deux niveaux de cache : des caches L1 dédiés et un cache L2 partagé. Le cache L2 partagé était relié aux caches L1, grâce à un système assez complexe d'interconnexions. Le cache de niveau L2 était souvent simple port, car les caches L1 se chargent de filtrer les accès aux caches de niveau inférieurs. Les processeurs multicœurs modernes ont des caches L3 et même L4, de grande capacité, ce qui a modifié le partage des caches. Le cache de dernier niveau, à savoir le cache le plus proche de la mémoire, est systématiquement partagé, car son rôle est d'être un cache lent mais gros. Il s'agit le plus souvent d'un cache de L3, plus rarement L4. Sur certains processeurs multicœurs, le cache de dernier niveau n'est techniquement pas dans le cœur, mais fait partie d'un ensemble de circuits reliés, comme le contrôleur mémoire ou l'interface mémoire. Il fonctionne à une fréquence différente du processeur, n'a pas la même tension d'alimentation, etc. Le cas du cache L2 dépend des architectures : il est partagé sur certains processeurs, dédié sur d'autres. Mais sur les processeurs modernes, c'est un cache dédié soit par cœur, soit pour un groupe de cœurs. Dans le cas le plus courant, chaque cache L2 est partagé entre plusieurs cœurs mais pas à tous. En effet, on peut limiter le partage du cache à quelques cœurs particuliers pour des raisons de performances. [[File:Partage des caches sur un processeur multicoeurs.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur multicœur.]] D'autres processeurs ont des caches L2 dédiés. Il s'agit surtout des processeurs multicœurs anciens, parmi les premières générations de processeurs multicœurs. Un exemple est celui de la microarchitecture Nehalem d'Intel. Il avait des caches L1 et L2 dédiés, mais un cache L3 partagé. [[File:Nehalem EP.png|centre|vignette|upright=2.0|Partage des caches sur un processeur Intel d'architecture Nehalem.]] ===Les caches partagés centralisés et distribués=== Un point important est que quand on parle de cache partagé ou de cache dédié, on ne parle que de la manière dont les cœurs peuvent accéder au cache, pas de la manière dont le caches est réellement localisé sur la puce. En théorie, qui dit plusieurs caches dédiés signifie que l'on a vraiment plusieurs caches séparés sur la puce. Et chaque cache dédié est proche du cœur qui lui est attribué. Et pour les caches partagés unique, une portion de la puce de silicium contient le cache, que cette portion est un énorme bloc de transistors. Il est généralement placé au milieu de la puce ou sur un côté, histoire de facilement le connecter à tous les cœurs. Mais pour les caches séparés, ce n'est pas toujours le cas. Avoir un cache énorme poserait des problèmes sur les architectures avec beaucoup de cœurs. En réalité, le cache est souvent découpé en plusieurs banques, reliées à un contrôleur du cache par un système d'interconnexion assez complexe. Les banques sont physiquement séparées, et il arrive qu'elles soient placées proche d'un cœur chacune. L'organisation des banques ressemble beaucoup à l'organisation des caches dédiés, avec une banque étant l'équivalent d'un cache dédié. La différence est que les cœurs peuvent lire et écrire dans toutes les banques, grâce au système d'interconnexion et au contrôleur de cache. Tel était le cas sur les processeurs AMD Jaguar. Ils avaient un cache L2 de 2 mébioctets, partagés entre tous les cœurs, qui était composé de 4 banques de 512 Kibioctets. Les quatre banques du cache étaient reliées aux 4 cœurs par un réseaux d'interconnexion assez complexe. [[File:AMDJaguarModule.png|centre|vignette|upright=2|AMD Jaguar Module]] La différence entre les deux solutions pour les caches partagés porte le nom de cache centralisés versus distribués. Un gros cache unique sur la puce est un '''cache centralisé''', et c'est généralement un cache partagé. Mais un cache composé de plusieurs banques dispersées sur la puce est un '''cache distribué''', qui peut être aussi bien dédié que partagé. ===Les caches virtualisés=== Il faut noter que quelques processeurs utilisent cette technique pour fusionnent le cache L2 et le cache L3. Par exemple, les processeurs IBM Telum utilisent des caches L3 virtualisés, dans leurs versions récentes. Le processeur Telum 2 contient 10 caches L2 de 36 mébioctets chacun, soit 360 mébioctets de cache. L'idée est que ces 360 mébioctets sont partagés à la demande entre cache L2 dédié et cache L3. On parle alors de '''cache virtualisé'''. Un cache de 36 mébioctet est associé à un cœur, auquel il est directement relié. Les cœurs n'utilisent pas tous leur cache dédié à 100% Il arrive que des cœurs aient des caches partiellement vides, alors que d'autres on un cache qui déborde. L'idée est que si un cœur a un cache plein, les données évincées du cache L2 privé sont déplacées dans le cache L2 d'un autre cœur, qui lui est partiellement vide. Le cache L2 en question est alors partitionné en deux : une portion pour les données associée à son cœur, une portion pour les données des L2 des autres cœurs. Pour que la technique fonctionne, le processeur mesure le remplissage de chaque cache L2. De plus, il faut gérer la politique de remplacement des lignes de cache. Une ligne de cache évincée du cache doit être déplacé dans un autre L2, pas dans les niveaux de cache inférieur, ni dans la mémoire. Du moins, tant qu'il reste de la place dans le cache L3. De plus, une lecture/écriture dans le cache L3 demande de localiser le cache L2 contenant la donnée. Pour cela, les caches L2 sont tous consultés lors d'un accès au L3, c'est la solution la plus simple, elle marche très bien si le taux de défaut du cache L2 est faible. Une telle optimisation ressemble beaucoup à un cache L2/L3 distribué, mais il y a quelques différences qui sont décrites dans le paragraphe précédent. Avec un L2 distribué, tout accès au L2 déclencherait une consultation de toutes les banques du L2. Avec un cache L3 virtualisé, ce n'est pas le cas. Le cache L2 associé au cœur est consulté, et c'est seulement en cas de défaut de cache que les autres caches L2 sont consultés. De plus, avec un cache L2 distribué, il n'y a pas de déplacement d'une ligne de cache entre deux banques, entre deux caches L2 physiques. Alors qu'avec un cache L3 virtualisé, c'est le cas en cas de remplacement d'une ligne de cache dans le cache L2. Sur le processeur Telum 1, le partage du cache L2 est assez simple. Un cache L2 fait 32 mébioctets et est découpé en deux banques de 16 mébioctets. En temps normal, les premiers 16 mébioctets sont toujours associé au cache L2, au cœur associé. Les 16 mébioctets restants peuvent soit être attribués au cache L3, soit fusionnés avec les 16 premiers mébioctets. Dans le cas où le cœur associé est en veille, n'est absolument pas utilisé, les 32 mébioctets sont attribués au cache L3. Un partage assez simple, donc. Le partage du cache L2/L3 sur les processeurs Telum 2 n'est pas connu, il est supposé être plus flexible. ==Le réseau d'interconnexion entre cœurs== Les CPU multicœurs connectent plusieurs cœurs entre eux, tout comme les systèmes multi-processeurs connectent plusieurs processeurs entre eux. Mais les transferts de données entre cœurs se font par l'intermédiaire des caches, ce qui fait que l'implémentation est différente de celle utilisée sur les systèmes multi-processeurs. Les standards pour les interconnexions entre coeurs sont assez proches de ceux utilisés pour interconnecter des processeurs, mais les standards utilisés ne sont pas les mêmes en pratique. Là encore, les cœurs sont connectés entre eux soit par un bus, soit par un réseau d'interconnexion. ===Le bus partagé entre plusieurs cœurs=== Une solution simple relie les cœurs entre eux grâce à un '''bus partagé'''. Le cas le plus simple est celui où chaque cœur dispose de caches dédiés, qui sont alors tous reliés au bus mémoire, qui sert d'intermédiaire. Mais l'idée doit être adaptée sur les processeurs multicœurs avec des caches partagés. Voyons d'abord le cas d'un CPU avec deux niveaux de cache, dont un cache L2 est partagé entre tous les cœurs. Les caches L1 sont reliés au cache L2 partagé par un bus, qui n'a souvent pas de nom. Nous désignerons le bus entre le cache L1 et le cache L2 : '''bus partagé''', sous-entendu partagé entre tous les caches. C'est lui qui sert à connecter les cœurs entre eux. [[File:Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2.png|centre|vignette|upright=2|Architecture multicoeurs à bus partagé entre caches L1 et L2]] Un processeur multicœur typique a une architecture avec trois niveaux de cache (L1, L2 et L3), avec un niveau L1 dédié par cœur, un niveau L2 partiellement partagé et un L3 totalement partagé. Le bus partagé est alors difficile à décrire, mais il correspond à l'ensemble des bus qui connectent les caches L1 aux caches L2, et les caches L2 au cache L3. Il s'agit alors d'un ensemble de bus, plus que d'un bus partagé unique. L'usage d'un bus partagé a cependant de nombreux défauts dont nous parlerons en détail du bus partagé dans le chapitre sur la cohérence des caches. ===Le réseau d'interconnexion entre plusieurs cœurs=== Relier plusieurs cœurs avec des bus pose de nombreux problèmes techniques qui sont d'autant plus problématiques que le nombre de cœurs augmente. Le câblage est notamment très complexe, les contraintes électriques pour la transmission des signaux sont beaucoup plus fortes, les problèmes d'arbitrages se font plus fréquents, etc. Pour régler ces problèmes, les processeurs multicoeurs n'utilisent pas de bus partagé, mais un réseau d'interconnexion plus complexe. Un exemple de réseau d'interconnexion est celui des architectures AMD EPYC, de microarchitecture Zen 1. Elles utilisaient des chiplets, à savoir que le processeur était composé de plusieurs puces interconnectées entre elles. Chaque puce contenait un processeur multicoeurs intégrant un cache L3, avec un réseau d'interconnexion interne au processeur sans doute basé sur un ensemble de bus. De plus, les puces étaient reliées à une puce d'interconnexion qui servait à la fois d'interface entre les processeurs, mais aussi d'interface avec la R1AM, le bus PCI-Express, etc. La puce d'interconnexion était gravée en 14 nm contre 7nm pour les chiplets des cœurs. {| |[[File:AMD Epyc 7702 delidded.jpg|centre|vignette|upright=2|AMD Epyc 7702.]] |[[File:AMD Epyc Rome Aufbau.png|centre|vignette|upright=2|Schéma fonctionnel de l'AMD Epyc.]] |} Le réseau d'interconnexion peut être très complexe, avec des connexions réseau, des commutateurs, et des protocoles d'échanges entre processeurs assez complexes basés sur du passage de messages. De telles puces utilisent un '''réseau sur puce''' (''network on chip''). Mais d'autres simplifient le réseau d'interconnexion, qui se résume à un réseau ''crossbar'', voire à des mémoires FIFO pour faire l'interface entre les cœurs. Le problème principal des réseaux sur puce est que les mémoires FIFOs sont difficiles à implémenter sur une puce de silicium. Elles prennent beaucoup de place, utilisent beaucoup de portes logiques, consomment beaucoup d'énergie, sont difficiles à concevoir pour diverses raisons (les accès concurrents/simultanés sont fréquents et font mauvais ménage avec les ''timings'' serrés de quelques cycles d'horloges requis). Il est donc impossible de placer beaucoup de mémoires FIFO dans un processeur, ce qui fait que les commutateur sont réduits à leur strict minimum : un réseau d'interconnexion, un système d'arbitrage simple parfois sans aucune FIFO, guère plus. ===Les architectures en ''tile''=== Un cas particulier de réseau sur puce est celui des '''architectures en ''tile''''', des architectures avec un grand nombre de cœurs, connectés les unes aux autres par un réseau d'interconnexion "rectangulaire". Chaque cœur est associé à un commutateur (''switch'') qui le connecte au réseau d'interconnexion, l'ensemble formant une ''tile''. [[File:Tile64-Tile.svg|centre|vignette|upright=1.5|''Tile'' de base du Tile64.]] Le réseau est souvent organisé en tableau, chaque ''tile'' étant connectée à plusieurs voisines. Dans le cas le plus fréquent, chaque ''tile'' est connectée à quatre voisines : celle du dessus, celle du dessous, celle de gauche et celle de droite. Précisons que cette architecture n'est pas une architecture distribuée dont tous les processeurs seraient placés sur la même puce de silicium. En effet, la comparaison ne marche pas pour ce qui est de la mémoire : tous les cœurs accèdent à une mémoire partagée située en dehors de la puce de silicium. Le réseau ne connecte pas plusieurs ordinateurs séparés avec chacun leur propre mémoire, mais plusieurs cœurs qui accèdent à une mémoire partagée. Un bon exemple d'architecture en ''tile'' serait les déclinaisons de l'architecture Tilera. Les schémas du-dessous montrent l'architecture du processeur Tile 64. Outre les ''tiles'', qui sont les éléments de calcul de l'architecture, on trouve plusieurs contrôleurs mémoire DDR, divers interfaces réseau, des interfaces série et parallèles, et d'autres entrées-sorties. [[File:Tile64.svg|centre|vignette|upright=2|Architecture Tile64 du Tilera.]] <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=Les architectures parallèles | prevText=Les architectures parallèles | next=Architectures multithreadées et Hyperthreading | nextText=Architectures multithreadées et Hyperthreading }} </noinclude> pthdpbj6acz5ew4mfelqyjgxlp0aets 0 68873 762445 762204 2026-03-28T17:24:45Z SGlad 33245 /* Activité 1 : créer une image SVG avec un logiciel graphique et l'afficher dans un explorateur Web */ coquille 762445 wikitext text/x-wiki <noinclude>{{NavTitre|book={{BASEPAGENAME}}|prev=Manipulations avancées|next=}}</noinclude> == Introduction == Le SVG est un outil de dessin vectoriel, il utilise donc la géométrie. On peut donc s'en servir dans le cadre d'un enseignement de géométrie analytique, pour aborder les notions de coordonnées, vecteurs, transformations du plan et matrices de changement de base par exemple. C'est également un langage de programmation qui présente l'avantage d'avoir un effet visuel et immédiat (moyennant le rafraîchissement de la page du navigateur affichant l'image) ; il est en cela assez proche du Logo. Il permet d'introduire des notions telles que la rigueur de la syntaxe (en-têtes normalisés, respect de l'orthographe et de la grammaire propre au langage) ou l'organisation arborescente des données. {{loupe|Programmation Logo}} Pour estimer la difficulté des activités, nous utilisons la [[wikiversity:fr:Aide:Niveaux|cotation de la Wikiversité]]. {| class="wikitable" |+ Niveau de difficulté |- ! scope="col" rowspan="2" | Cotation ! scope="col" colspan="4" | Équivalence selon le pays |- ! scope="col" | France ! scope="col" | Belgique ! scope="col" | Suisse (HarmoS) ! scope="col" | Québec |- ! scope="row" | 13 | Terminale || 6{{e}} secondaire<br />rhéto || 3{{e}} ou 4{{e}} (collège ou gymnase) || DEC 1 et 2 |- ! scope="row" | 14 | Bac+1, licence 1<br /> 1{{re}} année de BTS, DUT ou CPGE || Baccalauréat 1 || Bachelor 1 ou 1{{re}} HES || Baccalauréat 1 et DEC 3 |- ! scope="row" | 15 | Bac+2, licence 2<br /> 2{{e}} année de BTS, DUT ou CPGE || Baccalauréat 2 || Bachelor 2 ou 2{{e}} HES || Baccalauréat 2 |- ! scope="row" | 16 | Bac+3, licence 3 || Baccalauréat 3 || Bachelor 3 ou 3{{re}} HES || Baccalauréat 3 et 4 |} == Généralités == '''Fiche enseignant''' * Objectifs généraux : *# Consolider les notions apprises en géométrie. *# Découvrir la démarche de programmation. *# Comprendre le fonctionnement de l'Internet : notion de codage et de décodage des données, notion de standard. * Prérequis pour l'élève : ** Savoir se servir d'un éditeur de texte. ** Savoir se servir d'un navigateur Web. ** Savoir se servir du gestionnaire de fichiers (Explorateur Windows, Finder MacOs, GNOME Commander…). ** Notion de géométrie analytique. * Matériel et logiciel : ** Un ordinateur pour deux apprenants, voire un ordinateur par apprenant. ** Un éditeur de texte, de préférence avec coloration syntaxique comme Notepad++ pour Microsoft Windows<ref>https://notepad-plus-plus.org/ ou en version « portable » (sans installation, ne nécessite pas d'avoir les droits administrateur) http://portableapps.com/apps/development/notepadpp_portable</ref> ou bien gedit<ref>https://wiki.gnome.org/Apps/Gedit</ref>. ** Un navigateur Web supportant le SVG et de préférence le CSS comme Mozilla Firefox<ref>https://www.mozilla.org/fr/firefox/new/</ref>. ** Inkscape<ref>https://inkscape.org/fr/ ou en version « portable » http://portableapps.com/apps/graphics_pictures/inkscape_portable</ref>. * Préparation : ** S'assurer que les apprenants peuvent ouvrir une session. Le cas échéant, créer ou faire créer des comptes individuels (identifiants et des mots de passe) ou bien des comptes « invités ». ** S'assurer que les outils sont facilement accessibles, par exemple par des icônes sur le bureau. ** Définir le répertoire (dossier) de travail et s'assurer qu'il est facilement accessible, par exemple par un raccourci sur le bureau. ** Dans le répertoire de travail, créer les fichiers suivants en lecture seule (les préfixes <code>0_</code> et <code>z_</code> assurent qu'avec le classement alphabétique, les fichiers seront toujours respectivement en tête et en queue de liste) : *** un fichier <code>z_styleSVG.css</code> indiquant que par défaut, la largeur du trait vaut {{formatnum:0.06}}, sa couleur est noire et que le remplissage est vide ; *** un fichier <code>z_sgrille.svg</code> traçant un cadre et une grille régulière 10 × 10, le tout en gris clair et avec une épaisseur de trait de {{formatnum:0.03}} ; *** un fichier <code>00_modele.svg</code> contenant le cadre de travail vide, c'est-à-dire l'en-tête et l'élément <code>&lt;svg …&gt; … &lt;/svg&gt;</code> vide. Mettre ce fichier en lecture seule. {{Boîte déroulante début | titre=Fichiers}} '''Fichier <code>z_styleSVG.css</code>''' <syntaxhighlight lang="css"> /* Déclaration 1 : jeu de caractères utilisable */ @charset "UTF-8"; /* ISO Latin-1 */ /* Déclaration 2 : paramètres généraux des éléments */ svg { stroke: black; stroke-width: 0.06; fill: none } text { stroke: none; stroke-witdth: 0; fill: black; font-family: serif, Times New Roman; transform: matrix(0.05, 0, 0, -0.05, 0, 0) } </syntaxhighlight> '''Fichier <code>z_grille.svg</code>''' <syntaxhighlight lang="xml"> <?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?> <!DOCTYPE svg PUBLIC "-//W3C//DTD SVG 1.1//EN" "http://www.w3.org/Graphics/SVG/1.1/DTD/svg11.dtd" > <svg width="100" height="100" version="1.1" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" > <title> Grille </title> <desc> pour faciliter le repérage </desc> <defs> <style type="text/css"><![CDATA[ rect { fill: none; stroke: lightgray; stroke-width: 0.03 } line { fill: none; stroke: lightgray; stroke-width: 0.03 } ]]></style> </defs> <symbol id="horizontale"> <line x1="0" y1="0" x2="100%" y2="0" /> </symbol> <symbol id="verticale"> <line x1="0" y1="0" x2="0" y2="100%" /> </symbol> <!-- Cadre extérieur --> <rect x="0" y="0" width="100%" height="100%" /> <!-- Lignes horizontales --> <use xlink:href="#horizontale" y="10%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="20%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="30%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="40%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="50%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="60%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="70%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="80%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="90%" /> <!-- Lignes verticales --> <use xlink:href="#verticale" x="10%" /> <use xlink:href="#verticale" x="20%" /> <use xlink:href="#verticale" x="30%" /> <use xlink:href="#verticale" x="40%" /> <use xlink:href="#verticale" x="50%" /> <use xlink:href="#verticale" x="60%" /> <use xlink:href="#verticale" x="70%" /> <use xlink:href="#verticale" x="80%" /> <use xlink:href="#verticale" x="90%" /> </svg> </syntaxhighlight> '''Fichier <code>00_modele.svg</code>''' <syntaxhighlight lang="xml"> <?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?> <?xml-stylesheet href="z_styleSVG.css" type="text/css"?> <!DOCTYPE svg PUBLIC "-//W3C//DTD SVG 1.1//EN" "http://www.w3.org/Graphics/SVG/1.1/DTD/svg11.dtd" > <svg width="600" height="600" version="1.1" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" viewBox="0 0 10 10" > <title> <!-- Écrire le titre ici --> </title> <desc> <!-- Écrire une description ici --> </desc> <image xlink:href="z_grille.svg" width="100%" height="100%" /> <g transform="matrix(1, 0, 0, -1, 0, 600)"> <!-- Écrire vos instructions ici --> </g> </svg> </syntaxhighlight> {{Boîte déroulante fin}} == Progression didactique == === 1. Découvrir le SVG et premier exemple === ==== Note à l'enseignant ==== Ce travail correspond à un niveau de difficulté 13 ou 14. ==== Introduction ==== Le terme SVG signifie en anglais ''scalable vector graphics'' c'est-à-dire « graphismes vectoriels dont on peut modifier l'échelle ». Ce sont des dessins que l'on peut agrandir (zoomer) sans que cela ne fasse apparaître de « grains », de pixels. Le SVG est un standard Internet permettant de créer des images et de les diffuser. Une image SVG se présente comme un fichier portant l'extension <code>.svg</code>. C'est un fichier contenant du texte « lisible » par un humain : le texte décrit ce que doit dessiner l'ordinateur avec des mots anglais. Les ordres donnés à l'ordinateur sont appelés « instructions ». On peut créer un dessin au format SVG avec des logiciels de dessin utilisant la souris, comme Inkscape. Mais il est aussi possible de créer des dessins en tapant directement les instructions à l'aide d'un éditeur de texte. ==== Objectif ==== À la fin de la séance, vous saurez créer une image SVG simple et l'afficher. ==== Activité 1 : créer une image SVG avec un logiciel graphique et l'afficher dans un explorateur Web ==== # Ouvrez le logiciel Inkscape [[fichier:Inkscape Logo.svg|26px|logo Inkscape]]. #: ''Détailler la procédure selon le système d'exploitation et l'installation, par exemple : double-cliquez sur l'icône Inkscape sur le bureau.'' # Cliquez sur le « stylo » [[Fichier:Inkscape icons draw path.svg|Bouton « stylo »]]. Le pointeur prend la forme d'une croix avec un stylo-plume. # Placez le pointeur à un endroit de la fenêtre et cliquez puis relâchez le clic. Recommencez plusieurs fois à plusieurs endroits : cela crée une ligne brisée (avec éventuellement des arcs courbes si la souris bouge pendant que le bouton de clic est enfoncé). # Appuyez sur la touche « Entrée » du clavier : cela termine le tracé. # Cliquez sur le bouton « Sélection » [[Fichier:Inkscape icons tool pointer.svg|Bouton « Sélection »]]. # Appuyez sur la touche « Ctrl » du clavier, puis faites bouger la molette de la souris en maintenant la touche enfoncer. Selon la direction de rotation de la molette, cela agrandit (zoom) ou rapetisse (dé-zoom) l'image ; si vous n'y arrivez pas, utilisez la boîte de zoom située en bas à droite de la fenêtre. Vérifiez que même si on agrandit fortement l'image, les traits restent lisses. # Enregistrez l'image sous le nom <code>premierEssai</code> : ## Cliquez sur le bouton « Enregistrer » [[Fichier:Media-floppy.svg|26px]]. Cela ouvre la boîte de dialogue « Enregistrer sous ». ## Allez dans le dossier de travail. ##: ''Détailler la procédure selon la manière dont est organisé le disque dur.'' ## Dans la zone de texte « nom du fichier », tapez « <code>premierEssai</code> ». ## Cliquez sur le bouton « Enregistrer ». ## Fermez Inkscape [[Fichier:Gnome-window-close.svg|26px|Icônes « fermer »]]. # Ouvrez le navigateur Web [[fichier:Firefox logo, 2017.svg|26px|logo Firefox]]. #: ''Détailler la procédure selon le système d'exploitation et l'installation, par exemple : double-cliquez sur l'icône Firefox sur le bureau.'' # Ouvrez le répertoire de travail. Positionnez la fenêtre du répertoire de travail à côté de celle du navigateur Web. #: ''Détailler la procédure selon le système d'exploitation et l'installation, par exemple : double-cliquez sur l'icône Fichiers SVG sur le bureau.'' # Faite un « glisser-lâcher » du fichier <code>premierEssai.svg</code> que vous venez de créer du répertoire de travail dans la fenêtre du navigateur Web : ## Dans la fenêtre du répertoire de travail, cliquez sur le fichier <code>premierEssai.svg</code>. ## En maintenant le bouton de la souris enfoncé, déplacez le pointeur dans la fenêtre du navigateur Web et relâchez le clic. # Vérifiez que le dessin qui s'affiche est identique à ce que vous avez dessiné. # Faite un agrandissement (zoom : touche « Ctrl » du clavier et molette de la souris) pour vérifier que les traits restent lisses. # Allez sur le site du « validateur de SVG » de l'organisme W3C et vérifiez que votre image est conforme aux standards.<br />https://validator.w3.org/ <div style="text-align: center;">'''Fin de l'activité'''<br />***<br />**<br/>* </div> ==== Activité 2 : Créer une image SVG avec un éditeur de texte ==== [[Fichier:Modele vide pour document SVG.svg|vignette|upright=2.5|Squelette d'un fichier SVG.]] '''Présentation d'un fichier SVG''' Une image SVG est un fichier de texte. L'image ci-contre présente le squelette d'un fichier SVG. Il est composé de trois pavés : # Un pavé d'en-tête qui indique au navigateur Web qu'il s'agit d'une image SVG et qui lui indique des informations complémentaires permettant l'affichage correct de l'image. # Un pavé contenant les instructions servant à tracer le dessin. Pour l'instant, ce pavé est vide. # Un pavé de fin de fichier. Nous pouvons déjà remarquer trois choses : * les instructions sont mises entre crochets <code>&lt;…&gt;</code> ; * le pavé (pour l'instant vide) contenant les instructions de dessin est compris entre une balise d'ouverture <syntaxhighlight lang="xml" inline><svg …></syntaxhighlight> et une balise de fermeture <syntaxhighlight lang="xml" inline></svg></syntaxhighlight> ; * le fichier contient des commentaires, c'est-à-dire du texte facilitant la lecture par un humain mais n'ayant aucune action sur le dessin ; ces commentaires sont inclus dans des balises <syntaxhighlight lang="xml" inline><!--…--></syntaxhighlight>. Le fichier présenté ci-contre est notre modèle. Les pavés d'en-tête et de fin de fichier seront toujours les mêmes, nous n'y toucherons sauf pour donner un titre et mettre une description. '''À faire :''' # Ouvrez l'éditeur de texte. #: ''Détailler la procédure selon le système d'exploitation et l'installation, par exemple : double-cliquez sur l'icône Notepad++ sur le bureau.'' # Ouvrez le fichier <code>00_modele.svg</code> : ## Cliquez sur le bouton « Ouvrir » [[Fichier:Gnome-document-open.svg|26px]] ; cela ouvre la boîte de dialogue « Ouvrir ». ## Dans la liste des fichiers, cliquez sur <code>00_modele.svg</code>. ## Cliquez sur le bouton « Ouvrir ». # Enregistrez le fichier sous un autre nom : ## Cliquez sur le menu « Fichier » puis dans la liste déroulante, cliquez sur « Enregistrer sous ». ## Dans la zone de texte « Nom du fichier », tapez « <code>premierExemple.svg</code> ». ## Cliquez sur « Enregistrer ». # Entre les balises <syntaxhighlight lang="xml" inline><title>…</title></syntaxhighlight>, supprimez le commentaire et écrivez à la place le titre : « <code>Premier exemple de fichier SVG</code> ». # Entre les balises <syntaxhighlight lang="xml" inline><desc>…</desc></syntaxhighlight>, supprimez le commentaire et écrivez à la place la description : « <code>Une image simple</code> ». # Dans le pavé d'instructions, enlevez le commentaire et écrivez à la place :<syntaxhighlight lang="xml"> <line x1="1" y1="1" x2="5" y2="5" /> <circle cx="5" cy="5" r="2" /> </syntaxhighlight> # Enregistrez le fichier. # Faites un glisser-lâcher du fichier depuis le répertoire de travail dans la fenêtre du navigateur Web. Commentez ce que vous voyez. # Revenez dans l'éditeur de texte. À la suite des commandes précédentes, ajoutez :<syntaxhighlight lang="xml"> <rect x="2" y="6" width="5" height="3" /> </syntaxhighlight> # Enregistrez à nouveau le fichier. # Cliquez dans la fenêtre du navigateur Web et appuyez sur la touche « F5 » du clavier. Commentez ce que vous voyez. # Vérifiez que votre image est conforme au standard du W3C. <br />https://validator.w3.org/ # Selon vous, à quoi sert le descriptif placé entre les balises <syntaxhighlight lang="xml" inline><desc>…</desc></syntaxhighlight> ? {{boîte déroulante|titre=Réponses attendues|contenu=Les conclusions attendues sont : * pour la question du point 8 : ** le titre « Premier exemple de fichier SVG » s'affiche dans l'onglet en haut de l'image, ** la commande <code>&lt;line…&gt;</code> a provoqué le tracé d'un ligne entre les points de coordonnées (1 ; 1) et (5; 5), c'est-à-dire entre les points de coordonnées les attributs (''x''₁ ; ''y''₁) et (''x''₂ ; ''y''₂), ** la commande <code>&lt;circle…&gt;</code> a provoqué le tracé d'un cercle de centre (5; 5) et de rayon 2, c'est-à-dire que le centre a pour coordonnées les attributs (''cx'' ; ''cy'') et de rayon l'attribut ''r'' ; * pour la question du point 11 : ** la touche « F5 » provoque le rafraîchissement de l'image et fait donc apparaître les modifications faites au fichier <code>.svg</code>, ** la commande <code>&lt;rect…&gt;</code> a provoqué le tracé d'un rectangle dont le sommet en haut a gauche a pour coordonnées (2 ; 6) et qui a une largeur de 5 et une hauteur de 3 ; c'est-à-dire que le sommet en bas à gauche a pour coordonnées les attributs (''x'' ; ''y''), pour largeur l'attribut ''{{lang|en|width}}'' et pour hauteur l'attribut ''{{lang|en|height}}'' <br />notez qu'en anglais, ''{{lang|en|width}}'' signifie « largeur » et ''{{lang|en|height}}'' signifie « hauteur » ; * pour la question du point 13 : le descriptif est utilisé pour l'audio-description ; il permet aux aveugles et mal-voyants de savoir ce que contient l'image ; il peut aussi servir a catégoriser l'image pour faciliter son classement et permettre de la retrouver facilement avec un moteur de recherche. }} ==== Conclusion ==== * Une image SVG est un fichier texte portant l'extension <code>.svg</code> et qui doit respecter des règles strictes pour permettre au navigateur Web de pouvoir tracer le dessin. * Le fichier a un en-tête normalisé qui permet au navigateur Web de savoir ce que contient le fichier ; l'en-tête indique les standards suivis (en particulier le standard XML et le standard SVG) ainsi que des informations sur l'image (comme ses dimensions, largeur et hauteur, son titre et un descriptif). * Les instructions SVG sont entre crochets <syntaxhighlight lang="xml" inline><…></syntaxhighlight> ; elles sont appelées « éléments ». * Certains éléments consistent en une seule balise, le crochet fermant est alors précédé d'une barre oblique, par exemple : <syntaxhighlight lang="xml" inline><line … /></syntaxhighlight>, <syntaxhighlight lang="xml" inline><circle … /></syntaxhighlight>, <syntaxhighlight lang="xml" inline><rect … /></syntaxhighlight>. * D'autres éléments sont des « conteneurs » : ils contiennent d'autres éléments et sont faits de deux balises, une balise ouvrante et une balise fermante ; c'est alors la balise fermante qui contient la barre oblique par exemple : ** l'élément <code>svg</code>, qui contient toutes les instructions de tracé : <syntaxhighlight lang="xml" inline><svg … > … </svg></syntaxhighlight>, ** les éléments <syntaxhighlight lang="xml" inline><title> … </title></syntaxhighlight> et <syntaxhighlight lang="xml" inline><desc> … </desc></syntaxhighlight> qui contiennent du texte. * Les éléments ont en général des paramètres, appelés « attributs », qui déterminent leur caractéristiques (position dans l'image, taille), par exemple : ** l'élément <syntaxhighlight lang="xml" inline><line … /></syntaxhighlight> a pour attributs <code>x1</code>, <code>y1</code>, <code>x2</code> et <code>y2</code> qui déterminent les extrémités du segment : [(''x''₁ ; ''y''₁) ; (''x''₂ ; ''y''₂)], ** l'élément <syntaxhighlight lang="xml" inline><circle … /></syntaxhighlight> a pour attributs <code>cx</code>, <code>cy</code> et <code>r</code> qui déterminent la position de son centre (''c_x'' ; ''c_y'') et son rayon ''r'', ** l'élément <syntaxhighlight lang="xml" inline><rect … /></syntaxhighlight> a pour attributs <code>x</code>, <code>y</code>, <code>width</code> et <code>height</code> qui déterminent la position de son sommet en haut à gauche (''x'' ; ''y'') et ses dimensions ''width'' × ''height''. * Les valeurs des attributs sont écrites entre guillemets, par exemple : <code>x="1"</code>. === 2. Coder et décoder le SVG === ==== Notes à l'enseignant ==== Le niveau de difficulté est de 13 ou 14. '''Prérequis''' Travaux dirigés précédents ==== Activité 1 : reproduire un dessin ==== # Étudiez le formulaire ci-dessous. # Reproduisez les figures qu'il contient. Pour cela, créez un fichier SVG avec un éditeur de texte en utilisant le modèle vu précédemment. {{boîte déroulante|titre=Formulaire SVG|contenu=[[Fichier:Formulaire SVG.svg|vignette|Formulaire SVG.]] Voici quelques instructions de SVG. * <code>'''&lt;line x1="'''<nowiki></nowiki>''x''₁'''" y1="'''<nowiki></nowiki>''y''₁'''" x2="'''<nowiki></nowiki>''x''₂'''" y2="'''<nowiki></nowiki>''y''₂'''" /&gt;'''</code> : trace un segment de droite du point de coordonnées (''x''₁ ; ''y''₁) au point de coordonnées (''x''₂ ; ''y''₂). * <code>'''&lt;rect x="'''<nowiki></nowiki>''x''₁'''" y="'''<nowiki></nowiki>''y''₁'''" width="'''<nowiki></nowiki>''L'''''" height="'''<nowiki></nowiki>''H''''' /&gt;'''</code> : trace un rectangle dont le point en haut à gauche a pour coordonnées (''x''₁ ; ''y''₁), et de largeur L et de hauteur H. * <code>'''&lt;circle cx="'''<nowiki></nowiki>''x''₁'''" cy="'''<nowiki></nowiki>''y''₁'''" r="'''<nowiki></nowiki>''R'''''" /&gt;'''</code> : trace un cercle dont le centre a pour coordonnées (''x''₁ ; ''y''₁), et de rayon R. * <code>'''&lt;path d="M''' ''x''₁ ''y''₁, ''x''₂ ''y''₂, ''x''₃ ''y''₃'''" /&gt;'''</code> : trace une ligne brisée entre les points de coordonnées (''x''₁ ; ''y''₁) — (''x''₂ ; ''y''₂) — (''x''₃ ; ''y''₃). * <code>'''&lt;path d="M''' ''x''₁ ''y''₁ '''l''' d''x''₂ d''y''₂, d''x''₃ d''y''₃'''" /&gt;'''</code> : trace une ligne brisée partant du point de coordonnées (''x''₁ ; ''y''₁) et en se déplaçant des vecteurs de composantes (d''x''₂ ; d''y''₂) puis (d''x''₃ ; d''y''₃). Faites attention : après « ''y''₁ », le « <code>l</code> » désigne la lettre L minuscule, et il ne doit pas y avoir de virgule devant. Vocabulaire : * les objets graphiques sont appelés « éléments » ; nous avons donc ici les éléments ''line'' (ligne), ''rect'' (rectangle), ''circle'' (cercle) et ''path'' (chemin) ; * les paramètres qui caractérisent un élément sont appelés « attributs » : ** l'élément ''line'' a pour attributs ''x1'', ''y1'', ''x2'', ''y2'', ** l'élément ''rect'' a pour attributs ''x'', ''y'', ''width'' et ''height'', ** l'élément ''circle'' a pour attributs ''cx'', ''cy'' et ''r'', ** l'élément ''path'' a pour attribut ''d''. Notez que : * les virgules ne sont pas obligatoires ; * on peut revenir à la ligne à l'intérieur d'un élément (comme dans l'image ci-contre). }} === 3. Créer un fichier SVG à l'aide d'un programme développé par soi-même === ==== Notes à l'enseignant ==== '''Prérequis''' Ces travaux dirigés sont destinés à des élèves connaissant un langage de programmation et qui sont capables : # De créer un chaîne de caractères. # De créer un fichier texte. Le langage utilisé importe peu. En outre, ils doivent avoir compris le fonctionnement des attributs <code>viewbox</code> et <code>transforme="matrix(…)"</code>. Cela correspond globalement à un niveau de difficulté de 14 ou 15. Nous choisissons ici de créer une courbe représentative d'une fonction mathématique simple. Pour l'exemple, nous choisissons la fonction ƒ(''x'') = ''x''² car tous les langages de programmation possèdent la fonction multiplié. On peut bien entendu utiliser une autre fonction selon les possibilités du langage, comme une fonction trigonométrique. Dans la formulation, nous restons volontairement flous en ce qui concerne la « vingtaine de valeurs bien réparties ». La valeur 0 faisant partie de l'intervalle, il paraît évident qu'elle doit faire partie de l'échantillon, le plus simple étant alors d'avoir un nombre impair de valeurs — 19 ou 21 — réparties de manière uniforme. '''Objectifs''' À l'issue de la séance, l'élève devra savoir qu'il est possible de générer automatiquement un fichier SVG exploitable et devra être en mesure de générer un fichier simple. ==== Activité unique : Créer une image SVG à l'aide d'un programme développé par soi-même ==== '''Présentation''' Une image SVG étant un fichier texte, on peut créer un fichier texte à partir d'un programme que l'on réalise soi-même. C'est ce que nous allons faire ici. '''À faire''' Dans le langage de votre choix ''(ou bien dans un langage imposé par l'enseignant)'', déterminez les valeurs de la fonction carré, ƒ(''x'') = ''x''², pour une vingtaine de valeurs de ''x'' bien réparties entre –5 et 5. Créer un fichier au format SVG permettant d'afficher la courbe représentative ''y'' = ƒ(''x'') dans un navigateur Web. {{boîte déroulante|titre=Réponse attendue|contenu=Nous choisissons ici de donner la solution avec le langage [[Scilab]]. Si le fichier SVG contient ''n'' lignes, il faut définir une matrice ''n'' × 1 de chaînes de caractères. Nous commençons par définir l'en-tête et la fin de fichier chacun dans une variable (matrice d'une colonne de chaînes de caractères). Ensuite, nous calculons les valeurs de ''x'' et de ''y''. Puis, à l'aide de la fonction <code>string()</code>, nous transformons ces valeurs en chaînes de caractères. Pour simplifier, nous mettons un point par ligne, mais nous nous assurons qu'il n'y a qu'une seule colonne. <syntaxhighlight lang="scilab"> //============================================================================ // nom : fonctionCarre.sce // auteur : Christophe Dang Ngoc Chan // date de création : 2017-04-27 // dates de modification : //---------------------------------------------------------------------------- // version de Scilab : 6.0.0 // module Atoms requis : aucun //---------------------------------------------------------------------------- // Objectif : Créer un fichier SVG permettant d'afficher le graphe de la // fonction carré // Entrées : aucune (paramètres en dur) // Sorties : fichier au format SVG //============================================================================ // ************** // * Constantes * // ************** // Définition du fichier chemin = "C:\dossier_de_travail\"; nomDeFichier = "fonctionCarree.svg"; // Domaine de définition valmin = -5; valmax = 5; N = 21; X = linspace(valmin, valmax, N); // Structure du fichier SVG entete =["<?xml version=""1.0"" encoding=""UTF-8"" standalone=""no""?>" "<?xml-stylesheet href=""z_styleSVG.css"" type=""text/css""?>" " " "<!DOCTYPE svg PUBLIC ""-//W3C//DTD SVG 1.1//EN"" " " ""http://www.w3.org/Graphics/SVG/1.1/DTD/svg11.dtd"" " ">" " " "<svg" " width=""600"" height=""600"" version=""1.1"" " " xmlns=""http://www.w3.org/2000/svg"" " " xmlns:xlink=""http://www.w3.org/1999/xlink"" " " viewBox=""-5 0 5 25"" " ">" " " " <title> Fonction carré </title>" " <desc> Courbe représentative de la fonction carré entre -5 et 5 </desc>" " " "<g transform=""matrix(1, 0, 0, -1, 0, 25)"">"]; finDeFichier = ["</g>" " " "</svg>"]; // *********************** // * Programme principal * // *********************** // Calcul de la fonction carré Y = X.^2; // Génération du code ligne1 = "<path d=""M "+string(X(1))+" "+string(Y(1)); corps = string(X(2:$)')+" "+string(Y(2:$)'); ligneFin = " "" />"; matriceFichier = [entete ligne1 corps ligneFin finDeFichier]; // Ecriture du fichier chdir(chemin); write(nomDeFichier, matriceFichier); </syntaxhighlight> On vérifie ensuite que la courbe s'affiche bien dans un navigateur Web et que le code SVG est bien valide. }} == Notes == {{références}} ---- ''[[../Manipulations avancées/]]'' &lt; [[Découvrir le SVG|↑]] &gt; … [[Catégorie:Découvrir le SVG (livre)|Enseignement]] mbvkf3gdl61jib4q1tdep3jtfbk3kjy 762464 762445 2026-03-28T21:38:39Z SGlad 33245 /* Notes à l'enseignant */ féminin 762464 wikitext text/x-wiki <noinclude>{{NavTitre|book={{BASEPAGENAME}}|prev=Manipulations avancées|next=}}</noinclude> == Introduction == Le SVG est un outil de dessin vectoriel, il utilise donc la géométrie. On peut donc s'en servir dans le cadre d'un enseignement de géométrie analytique, pour aborder les notions de coordonnées, vecteurs, transformations du plan et matrices de changement de base par exemple. C'est également un langage de programmation qui présente l'avantage d'avoir un effet visuel et immédiat (moyennant le rafraîchissement de la page du navigateur affichant l'image) ; il est en cela assez proche du Logo. Il permet d'introduire des notions telles que la rigueur de la syntaxe (en-têtes normalisés, respect de l'orthographe et de la grammaire propre au langage) ou l'organisation arborescente des données. {{loupe|Programmation Logo}} Pour estimer la difficulté des activités, nous utilisons la [[wikiversity:fr:Aide:Niveaux|cotation de la Wikiversité]]. {| class="wikitable" |+ Niveau de difficulté |- ! scope="col" rowspan="2" | Cotation ! scope="col" colspan="4" | Équivalence selon le pays |- ! scope="col" | France ! scope="col" | Belgique ! scope="col" | Suisse (HarmoS) ! scope="col" | Québec |- ! scope="row" | 13 | Terminale || 6{{e}} secondaire<br />rhéto || 3{{e}} ou 4{{e}} (collège ou gymnase) || DEC 1 et 2 |- ! scope="row" | 14 | Bac+1, licence 1<br /> 1{{re}} année de BTS, DUT ou CPGE || Baccalauréat 1 || Bachelor 1 ou 1{{re}} HES || Baccalauréat 1 et DEC 3 |- ! scope="row" | 15 | Bac+2, licence 2<br /> 2{{e}} année de BTS, DUT ou CPGE || Baccalauréat 2 || Bachelor 2 ou 2{{e}} HES || Baccalauréat 2 |- ! scope="row" | 16 | Bac+3, licence 3 || Baccalauréat 3 || Bachelor 3 ou 3{{re}} HES || Baccalauréat 3 et 4 |} == Généralités == '''Fiche enseignant''' * Objectifs généraux : *# Consolider les notions apprises en géométrie. *# Découvrir la démarche de programmation. *# Comprendre le fonctionnement de l'Internet : notion de codage et de décodage des données, notion de standard. * Prérequis pour l'élève : ** Savoir se servir d'un éditeur de texte. ** Savoir se servir d'un navigateur Web. ** Savoir se servir du gestionnaire de fichiers (Explorateur Windows, Finder MacOs, GNOME Commander…). ** Notion de géométrie analytique. * Matériel et logiciel : ** Un ordinateur pour deux apprenants, voire un ordinateur par apprenant. ** Un éditeur de texte, de préférence avec coloration syntaxique comme Notepad++ pour Microsoft Windows<ref>https://notepad-plus-plus.org/ ou en version « portable » (sans installation, ne nécessite pas d'avoir les droits administrateur) http://portableapps.com/apps/development/notepadpp_portable</ref> ou bien gedit<ref>https://wiki.gnome.org/Apps/Gedit</ref>. ** Un navigateur Web supportant le SVG et de préférence le CSS comme Mozilla Firefox<ref>https://www.mozilla.org/fr/firefox/new/</ref>. ** Inkscape<ref>https://inkscape.org/fr/ ou en version « portable » http://portableapps.com/apps/graphics_pictures/inkscape_portable</ref>. * Préparation : ** S'assurer que les apprenants peuvent ouvrir une session. Le cas échéant, créer ou faire créer des comptes individuels (identifiants et des mots de passe) ou bien des comptes « invités ». ** S'assurer que les outils sont facilement accessibles, par exemple par des icônes sur le bureau. ** Définir le répertoire (dossier) de travail et s'assurer qu'il est facilement accessible, par exemple par un raccourci sur le bureau. ** Dans le répertoire de travail, créer les fichiers suivants en lecture seule (les préfixes <code>0_</code> et <code>z_</code> assurent qu'avec le classement alphabétique, les fichiers seront toujours respectivement en tête et en queue de liste) : *** un fichier <code>z_styleSVG.css</code> indiquant que par défaut, la largeur du trait vaut {{formatnum:0.06}}, sa couleur est noire et que le remplissage est vide ; *** un fichier <code>z_sgrille.svg</code> traçant un cadre et une grille régulière 10 × 10, le tout en gris clair et avec une épaisseur de trait de {{formatnum:0.03}} ; *** un fichier <code>00_modele.svg</code> contenant le cadre de travail vide, c'est-à-dire l'en-tête et l'élément <code>&lt;svg …&gt; … &lt;/svg&gt;</code> vide. Mettre ce fichier en lecture seule. {{Boîte déroulante début | titre=Fichiers}} '''Fichier <code>z_styleSVG.css</code>''' <syntaxhighlight lang="css"> /* Déclaration 1 : jeu de caractères utilisable */ @charset "UTF-8"; /* ISO Latin-1 */ /* Déclaration 2 : paramètres généraux des éléments */ svg { stroke: black; stroke-width: 0.06; fill: none } text { stroke: none; stroke-witdth: 0; fill: black; font-family: serif, Times New Roman; transform: matrix(0.05, 0, 0, -0.05, 0, 0) } </syntaxhighlight> '''Fichier <code>z_grille.svg</code>''' <syntaxhighlight lang="xml"> <?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?> <!DOCTYPE svg PUBLIC "-//W3C//DTD SVG 1.1//EN" "http://www.w3.org/Graphics/SVG/1.1/DTD/svg11.dtd" > <svg width="100" height="100" version="1.1" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" > <title> Grille </title> <desc> pour faciliter le repérage </desc> <defs> <style type="text/css"><![CDATA[ rect { fill: none; stroke: lightgray; stroke-width: 0.03 } line { fill: none; stroke: lightgray; stroke-width: 0.03 } ]]></style> </defs> <symbol id="horizontale"> <line x1="0" y1="0" x2="100%" y2="0" /> </symbol> <symbol id="verticale"> <line x1="0" y1="0" x2="0" y2="100%" /> </symbol> <!-- Cadre extérieur --> <rect x="0" y="0" width="100%" height="100%" /> <!-- Lignes horizontales --> <use xlink:href="#horizontale" y="10%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="20%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="30%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="40%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="50%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="60%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="70%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="80%" /> <use xlink:href="#horizontale" y="90%" /> <!-- Lignes verticales --> <use xlink:href="#verticale" x="10%" /> <use xlink:href="#verticale" x="20%" /> <use xlink:href="#verticale" x="30%" /> <use xlink:href="#verticale" x="40%" /> <use xlink:href="#verticale" x="50%" /> <use xlink:href="#verticale" x="60%" /> <use xlink:href="#verticale" x="70%" /> <use xlink:href="#verticale" x="80%" /> <use xlink:href="#verticale" x="90%" /> </svg> </syntaxhighlight> '''Fichier <code>00_modele.svg</code>''' <syntaxhighlight lang="xml"> <?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?> <?xml-stylesheet href="z_styleSVG.css" type="text/css"?> <!DOCTYPE svg PUBLIC "-//W3C//DTD SVG 1.1//EN" "http://www.w3.org/Graphics/SVG/1.1/DTD/svg11.dtd" > <svg width="600" height="600" version="1.1" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" viewBox="0 0 10 10" > <title> <!-- Écrire le titre ici --> </title> <desc> <!-- Écrire une description ici --> </desc> <image xlink:href="z_grille.svg" width="100%" height="100%" /> <g transform="matrix(1, 0, 0, -1, 0, 600)"> <!-- Écrire vos instructions ici --> </g> </svg> </syntaxhighlight> {{Boîte déroulante fin}} == Progression didactique == === 1. Découvrir le SVG et premier exemple === ==== Note à l'enseignant ==== Ce travail correspond à un niveau de difficulté 13 ou 14. ==== Introduction ==== Le terme SVG signifie en anglais ''scalable vector graphics'' c'est-à-dire « graphismes vectoriels dont on peut modifier l'échelle ». Ce sont des dessins que l'on peut agrandir (zoomer) sans que cela ne fasse apparaître de « grains », de pixels. Le SVG est un standard Internet permettant de créer des images et de les diffuser. Une image SVG se présente comme un fichier portant l'extension <code>.svg</code>. C'est un fichier contenant du texte « lisible » par un humain : le texte décrit ce que doit dessiner l'ordinateur avec des mots anglais. Les ordres donnés à l'ordinateur sont appelés « instructions ». On peut créer un dessin au format SVG avec des logiciels de dessin utilisant la souris, comme Inkscape. Mais il est aussi possible de créer des dessins en tapant directement les instructions à l'aide d'un éditeur de texte. ==== Objectif ==== À la fin de la séance, vous saurez créer une image SVG simple et l'afficher. ==== Activité 1 : créer une image SVG avec un logiciel graphique et l'afficher dans un explorateur Web ==== # Ouvrez le logiciel Inkscape [[fichier:Inkscape Logo.svg|26px|logo Inkscape]]. #: ''Détailler la procédure selon le système d'exploitation et l'installation, par exemple : double-cliquez sur l'icône Inkscape sur le bureau.'' # Cliquez sur le « stylo » [[Fichier:Inkscape icons draw path.svg|Bouton « stylo »]]. Le pointeur prend la forme d'une croix avec un stylo-plume. # Placez le pointeur à un endroit de la fenêtre et cliquez puis relâchez le clic. Recommencez plusieurs fois à plusieurs endroits : cela crée une ligne brisée (avec éventuellement des arcs courbes si la souris bouge pendant que le bouton de clic est enfoncé). # Appuyez sur la touche « Entrée » du clavier : cela termine le tracé. # Cliquez sur le bouton « Sélection » [[Fichier:Inkscape icons tool pointer.svg|Bouton « Sélection »]]. # Appuyez sur la touche « Ctrl » du clavier, puis faites bouger la molette de la souris en maintenant la touche enfoncer. Selon la direction de rotation de la molette, cela agrandit (zoom) ou rapetisse (dé-zoom) l'image ; si vous n'y arrivez pas, utilisez la boîte de zoom située en bas à droite de la fenêtre. Vérifiez que même si on agrandit fortement l'image, les traits restent lisses. # Enregistrez l'image sous le nom <code>premierEssai</code> : ## Cliquez sur le bouton « Enregistrer » [[Fichier:Media-floppy.svg|26px]]. Cela ouvre la boîte de dialogue « Enregistrer sous ». ## Allez dans le dossier de travail. ##: ''Détailler la procédure selon la manière dont est organisé le disque dur.'' ## Dans la zone de texte « nom du fichier », tapez « <code>premierEssai</code> ». ## Cliquez sur le bouton « Enregistrer ». ## Fermez Inkscape [[Fichier:Gnome-window-close.svg|26px|Icônes « fermer »]]. # Ouvrez le navigateur Web [[fichier:Firefox logo, 2017.svg|26px|logo Firefox]]. #: ''Détailler la procédure selon le système d'exploitation et l'installation, par exemple : double-cliquez sur l'icône Firefox sur le bureau.'' # Ouvrez le répertoire de travail. Positionnez la fenêtre du répertoire de travail à côté de celle du navigateur Web. #: ''Détailler la procédure selon le système d'exploitation et l'installation, par exemple : double-cliquez sur l'icône Fichiers SVG sur le bureau.'' # Faite un « glisser-lâcher » du fichier <code>premierEssai.svg</code> que vous venez de créer du répertoire de travail dans la fenêtre du navigateur Web : ## Dans la fenêtre du répertoire de travail, cliquez sur le fichier <code>premierEssai.svg</code>. ## En maintenant le bouton de la souris enfoncé, déplacez le pointeur dans la fenêtre du navigateur Web et relâchez le clic. # Vérifiez que le dessin qui s'affiche est identique à ce que vous avez dessiné. # Faite un agrandissement (zoom : touche « Ctrl » du clavier et molette de la souris) pour vérifier que les traits restent lisses. # Allez sur le site du « validateur de SVG » de l'organisme W3C et vérifiez que votre image est conforme aux standards.<br />https://validator.w3.org/ <div style="text-align: center;">'''Fin de l'activité'''<br />***<br />**<br/>* </div> ==== Activité 2 : Créer une image SVG avec un éditeur de texte ==== [[Fichier:Modele vide pour document SVG.svg|vignette|upright=2.5|Squelette d'un fichier SVG.]] '''Présentation d'un fichier SVG''' Une image SVG est un fichier de texte. L'image ci-contre présente le squelette d'un fichier SVG. Il est composé de trois pavés : # Un pavé d'en-tête qui indique au navigateur Web qu'il s'agit d'une image SVG et qui lui indique des informations complémentaires permettant l'affichage correct de l'image. # Un pavé contenant les instructions servant à tracer le dessin. Pour l'instant, ce pavé est vide. # Un pavé de fin de fichier. Nous pouvons déjà remarquer trois choses : * les instructions sont mises entre crochets <code>&lt;…&gt;</code> ; * le pavé (pour l'instant vide) contenant les instructions de dessin est compris entre une balise d'ouverture <syntaxhighlight lang="xml" inline><svg …></syntaxhighlight> et une balise de fermeture <syntaxhighlight lang="xml" inline></svg></syntaxhighlight> ; * le fichier contient des commentaires, c'est-à-dire du texte facilitant la lecture par un humain mais n'ayant aucune action sur le dessin ; ces commentaires sont inclus dans des balises <syntaxhighlight lang="xml" inline><!--…--></syntaxhighlight>. Le fichier présenté ci-contre est notre modèle. Les pavés d'en-tête et de fin de fichier seront toujours les mêmes, nous n'y toucherons sauf pour donner un titre et mettre une description. '''À faire :''' # Ouvrez l'éditeur de texte. #: ''Détailler la procédure selon le système d'exploitation et l'installation, par exemple : double-cliquez sur l'icône Notepad++ sur le bureau.'' # Ouvrez le fichier <code>00_modele.svg</code> : ## Cliquez sur le bouton « Ouvrir » [[Fichier:Gnome-document-open.svg|26px]] ; cela ouvre la boîte de dialogue « Ouvrir ». ## Dans la liste des fichiers, cliquez sur <code>00_modele.svg</code>. ## Cliquez sur le bouton « Ouvrir ». # Enregistrez le fichier sous un autre nom : ## Cliquez sur le menu « Fichier » puis dans la liste déroulante, cliquez sur « Enregistrer sous ». ## Dans la zone de texte « Nom du fichier », tapez « <code>premierExemple.svg</code> ». ## Cliquez sur « Enregistrer ». # Entre les balises <syntaxhighlight lang="xml" inline><title>…</title></syntaxhighlight>, supprimez le commentaire et écrivez à la place le titre : « <code>Premier exemple de fichier SVG</code> ». # Entre les balises <syntaxhighlight lang="xml" inline><desc>…</desc></syntaxhighlight>, supprimez le commentaire et écrivez à la place la description : « <code>Une image simple</code> ». # Dans le pavé d'instructions, enlevez le commentaire et écrivez à la place :<syntaxhighlight lang="xml"> <line x1="1" y1="1" x2="5" y2="5" /> <circle cx="5" cy="5" r="2" /> </syntaxhighlight> # Enregistrez le fichier. # Faites un glisser-lâcher du fichier depuis le répertoire de travail dans la fenêtre du navigateur Web. Commentez ce que vous voyez. # Revenez dans l'éditeur de texte. À la suite des commandes précédentes, ajoutez :<syntaxhighlight lang="xml"> <rect x="2" y="6" width="5" height="3" /> </syntaxhighlight> # Enregistrez à nouveau le fichier. # Cliquez dans la fenêtre du navigateur Web et appuyez sur la touche « F5 » du clavier. Commentez ce que vous voyez. # Vérifiez que votre image est conforme au standard du W3C. <br />https://validator.w3.org/ # Selon vous, à quoi sert le descriptif placé entre les balises <syntaxhighlight lang="xml" inline><desc>…</desc></syntaxhighlight> ? {{boîte déroulante|titre=Réponses attendues|contenu=Les conclusions attendues sont : * pour la question du point 8 : ** le titre « Premier exemple de fichier SVG » s'affiche dans l'onglet en haut de l'image, ** la commande <code>&lt;line…&gt;</code> a provoqué le tracé d'un ligne entre les points de coordonnées (1 ; 1) et (5; 5), c'est-à-dire entre les points de coordonnées les attributs (''x''₁ ; ''y''₁) et (''x''₂ ; ''y''₂), ** la commande <code>&lt;circle…&gt;</code> a provoqué le tracé d'un cercle de centre (5; 5) et de rayon 2, c'est-à-dire que le centre a pour coordonnées les attributs (''cx'' ; ''cy'') et de rayon l'attribut ''r'' ; * pour la question du point 11 : ** la touche « F5 » provoque le rafraîchissement de l'image et fait donc apparaître les modifications faites au fichier <code>.svg</code>, ** la commande <code>&lt;rect…&gt;</code> a provoqué le tracé d'un rectangle dont le sommet en haut a gauche a pour coordonnées (2 ; 6) et qui a une largeur de 5 et une hauteur de 3 ; c'est-à-dire que le sommet en bas à gauche a pour coordonnées les attributs (''x'' ; ''y''), pour largeur l'attribut ''{{lang|en|width}}'' et pour hauteur l'attribut ''{{lang|en|height}}'' <br />notez qu'en anglais, ''{{lang|en|width}}'' signifie « largeur » et ''{{lang|en|height}}'' signifie « hauteur » ; * pour la question du point 13 : le descriptif est utilisé pour l'audio-description ; il permet aux aveugles et mal-voyants de savoir ce que contient l'image ; il peut aussi servir a catégoriser l'image pour faciliter son classement et permettre de la retrouver facilement avec un moteur de recherche. }} ==== Conclusion ==== * Une image SVG est un fichier texte portant l'extension <code>.svg</code> et qui doit respecter des règles strictes pour permettre au navigateur Web de pouvoir tracer le dessin. * Le fichier a un en-tête normalisé qui permet au navigateur Web de savoir ce que contient le fichier ; l'en-tête indique les standards suivis (en particulier le standard XML et le standard SVG) ainsi que des informations sur l'image (comme ses dimensions, largeur et hauteur, son titre et un descriptif). * Les instructions SVG sont entre crochets <syntaxhighlight lang="xml" inline><…></syntaxhighlight> ; elles sont appelées « éléments ». * Certains éléments consistent en une seule balise, le crochet fermant est alors précédé d'une barre oblique, par exemple : <syntaxhighlight lang="xml" inline><line … /></syntaxhighlight>, <syntaxhighlight lang="xml" inline><circle … /></syntaxhighlight>, <syntaxhighlight lang="xml" inline><rect … /></syntaxhighlight>. * D'autres éléments sont des « conteneurs » : ils contiennent d'autres éléments et sont faits de deux balises, une balise ouvrante et une balise fermante ; c'est alors la balise fermante qui contient la barre oblique par exemple : ** l'élément <code>svg</code>, qui contient toutes les instructions de tracé : <syntaxhighlight lang="xml" inline><svg … > … </svg></syntaxhighlight>, ** les éléments <syntaxhighlight lang="xml" inline><title> … </title></syntaxhighlight> et <syntaxhighlight lang="xml" inline><desc> … </desc></syntaxhighlight> qui contiennent du texte. * Les éléments ont en général des paramètres, appelés « attributs », qui déterminent leur caractéristiques (position dans l'image, taille), par exemple : ** l'élément <syntaxhighlight lang="xml" inline><line … /></syntaxhighlight> a pour attributs <code>x1</code>, <code>y1</code>, <code>x2</code> et <code>y2</code> qui déterminent les extrémités du segment : [(''x''₁ ; ''y''₁) ; (''x''₂ ; ''y''₂)], ** l'élément <syntaxhighlight lang="xml" inline><circle … /></syntaxhighlight> a pour attributs <code>cx</code>, <code>cy</code> et <code>r</code> qui déterminent la position de son centre (''c_x'' ; ''c_y'') et son rayon ''r'', ** l'élément <syntaxhighlight lang="xml" inline><rect … /></syntaxhighlight> a pour attributs <code>x</code>, <code>y</code>, <code>width</code> et <code>height</code> qui déterminent la position de son sommet en haut à gauche (''x'' ; ''y'') et ses dimensions ''width'' × ''height''. * Les valeurs des attributs sont écrites entre guillemets, par exemple : <code>x="1"</code>. === 2. Coder et décoder le SVG === ==== Notes à l'enseignant ==== Le niveau de difficulté est de 13 ou 14. '''Prérequis''' Travaux dirigés précédents ==== Activité 1 : reproduire un dessin ==== # Étudiez le formulaire ci-dessous. # Reproduisez les figures qu'il contient. Pour cela, créez un fichier SVG avec un éditeur de texte en utilisant le modèle vu précédemment. {{boîte déroulante|titre=Formulaire SVG|contenu=[[Fichier:Formulaire SVG.svg|vignette|Formulaire SVG.]] Voici quelques instructions de SVG. * <code>'''&lt;line x1="'''<nowiki></nowiki>''x''₁'''" y1="'''<nowiki></nowiki>''y''₁'''" x2="'''<nowiki></nowiki>''x''₂'''" y2="'''<nowiki></nowiki>''y''₂'''" /&gt;'''</code> : trace un segment de droite du point de coordonnées (''x''₁ ; ''y''₁) au point de coordonnées (''x''₂ ; ''y''₂). * <code>'''&lt;rect x="'''<nowiki></nowiki>''x''₁'''" y="'''<nowiki></nowiki>''y''₁'''" width="'''<nowiki></nowiki>''L'''''" height="'''<nowiki></nowiki>''H''''' /&gt;'''</code> : trace un rectangle dont le point en haut à gauche a pour coordonnées (''x''₁ ; ''y''₁), et de largeur L et de hauteur H. * <code>'''&lt;circle cx="'''<nowiki></nowiki>''x''₁'''" cy="'''<nowiki></nowiki>''y''₁'''" r="'''<nowiki></nowiki>''R'''''" /&gt;'''</code> : trace un cercle dont le centre a pour coordonnées (''x''₁ ; ''y''₁), et de rayon R. * <code>'''&lt;path d="M''' ''x''₁ ''y''₁, ''x''₂ ''y''₂, ''x''₃ ''y''₃'''" /&gt;'''</code> : trace une ligne brisée entre les points de coordonnées (''x''₁ ; ''y''₁) — (''x''₂ ; ''y''₂) — (''x''₃ ; ''y''₃). * <code>'''&lt;path d="M''' ''x''₁ ''y''₁ '''l''' d''x''₂ d''y''₂, d''x''₃ d''y''₃'''" /&gt;'''</code> : trace une ligne brisée partant du point de coordonnées (''x''₁ ; ''y''₁) et en se déplaçant des vecteurs de composantes (d''x''₂ ; d''y''₂) puis (d''x''₃ ; d''y''₃). Faites attention : après « ''y''₁ », le « <code>l</code> » désigne la lettre L minuscule, et il ne doit pas y avoir de virgule devant. Vocabulaire : * les objets graphiques sont appelés « éléments » ; nous avons donc ici les éléments ''line'' (ligne), ''rect'' (rectangle), ''circle'' (cercle) et ''path'' (chemin) ; * les paramètres qui caractérisent un élément sont appelés « attributs » : ** l'élément ''line'' a pour attributs ''x1'', ''y1'', ''x2'', ''y2'', ** l'élément ''rect'' a pour attributs ''x'', ''y'', ''width'' et ''height'', ** l'élément ''circle'' a pour attributs ''cx'', ''cy'' et ''r'', ** l'élément ''path'' a pour attribut ''d''. Notez que : * les virgules ne sont pas obligatoires ; * on peut revenir à la ligne à l'intérieur d'un élément (comme dans l'image ci-contre). }} === 3. Créer un fichier SVG à l'aide d'un programme développé par soi-même === ==== Notes à l'enseignant ==== '''Prérequis''' Ces travaux dirigés sont destinés à des élèves connaissant un langage de programmation et qui sont capables : # De créer une chaîne de caractères. # De créer un fichier texte. Le langage utilisé importe peu. En outre, ils doivent avoir compris le fonctionnement des attributs <code>viewbox</code> et <code>transforme="matrix(…)"</code>. Cela correspond globalement à un niveau de difficulté de 14 ou 15. Nous choisissons ici de créer une courbe représentative d'une fonction mathématique simple. Pour l'exemple, nous choisissons la fonction ƒ(''x'') = ''x''² car tous les langages de programmation possèdent la fonction multiplié. On peut bien entendu utiliser une autre fonction selon les possibilités du langage, comme une fonction trigonométrique. Dans la formulation, nous restons volontairement flous en ce qui concerne la « vingtaine de valeurs bien réparties ». La valeur 0 faisant partie de l'intervalle, il paraît évident qu'elle doit faire partie de l'échantillon, le plus simple étant alors d'avoir un nombre impair de valeurs — 19 ou 21 — réparties de manière uniforme. '''Objectifs''' À l'issue de la séance, l'élève devra savoir qu'il est possible de générer automatiquement un fichier SVG exploitable et devra être en mesure de générer un fichier simple. ==== Activité unique : Créer une image SVG à l'aide d'un programme développé par soi-même ==== '''Présentation''' Une image SVG étant un fichier texte, on peut créer un fichier texte à partir d'un programme que l'on réalise soi-même. C'est ce que nous allons faire ici. '''À faire''' Dans le langage de votre choix ''(ou bien dans un langage imposé par l'enseignant)'', déterminez les valeurs de la fonction carré, ƒ(''x'') = ''x''², pour une vingtaine de valeurs de ''x'' bien réparties entre –5 et 5. Créer un fichier au format SVG permettant d'afficher la courbe représentative ''y'' = ƒ(''x'') dans un navigateur Web. {{boîte déroulante|titre=Réponse attendue|contenu=Nous choisissons ici de donner la solution avec le langage [[Scilab]]. Si le fichier SVG contient ''n'' lignes, il faut définir une matrice ''n'' × 1 de chaînes de caractères. Nous commençons par définir l'en-tête et la fin de fichier chacun dans une variable (matrice d'une colonne de chaînes de caractères). Ensuite, nous calculons les valeurs de ''x'' et de ''y''. Puis, à l'aide de la fonction <code>string()</code>, nous transformons ces valeurs en chaînes de caractères. Pour simplifier, nous mettons un point par ligne, mais nous nous assurons qu'il n'y a qu'une seule colonne. <syntaxhighlight lang="scilab"> //============================================================================ // nom : fonctionCarre.sce // auteur : Christophe Dang Ngoc Chan // date de création : 2017-04-27 // dates de modification : //---------------------------------------------------------------------------- // version de Scilab : 6.0.0 // module Atoms requis : aucun //---------------------------------------------------------------------------- // Objectif : Créer un fichier SVG permettant d'afficher le graphe de la // fonction carré // Entrées : aucune (paramètres en dur) // Sorties : fichier au format SVG //============================================================================ // ************** // * Constantes * // ************** // Définition du fichier chemin = "C:\dossier_de_travail\"; nomDeFichier = "fonctionCarree.svg"; // Domaine de définition valmin = -5; valmax = 5; N = 21; X = linspace(valmin, valmax, N); // Structure du fichier SVG entete =["<?xml version=""1.0"" encoding=""UTF-8"" standalone=""no""?>" "<?xml-stylesheet href=""z_styleSVG.css"" type=""text/css""?>" " " "<!DOCTYPE svg PUBLIC ""-//W3C//DTD SVG 1.1//EN"" " " ""http://www.w3.org/Graphics/SVG/1.1/DTD/svg11.dtd"" " ">" " " "<svg" " width=""600"" height=""600"" version=""1.1"" " " xmlns=""http://www.w3.org/2000/svg"" " " xmlns:xlink=""http://www.w3.org/1999/xlink"" " " viewBox=""-5 0 5 25"" " ">" " " " <title> Fonction carré </title>" " <desc> Courbe représentative de la fonction carré entre -5 et 5 </desc>" " " "<g transform=""matrix(1, 0, 0, -1, 0, 25)"">"]; finDeFichier = ["</g>" " " "</svg>"]; // *********************** // * Programme principal * // *********************** // Calcul de la fonction carré Y = X.^2; // Génération du code ligne1 = "<path d=""M "+string(X(1))+" "+string(Y(1)); corps = string(X(2:$)')+" "+string(Y(2:$)'); ligneFin = " "" />"; matriceFichier = [entete ligne1 corps ligneFin finDeFichier]; // Ecriture du fichier chdir(chemin); write(nomDeFichier, matriceFichier); </syntaxhighlight> On vérifie ensuite que la courbe s'affiche bien dans un navigateur Web et que le code SVG est bien valide. }} == Notes == {{références}} ---- ''[[../Manipulations avancées/]]'' &lt; [[Découvrir le SVG|↑]] &gt; … [[Catégorie:Découvrir le SVG (livre)|Enseignement]] gyo7ta4ll8jq8o2de5ggce8d89nbqlw 0 76524 762466 762419 2026-03-29T10:37:53Z Xhungab 23827 762466 wikitext text/x-wiki __NOTOC__ [[Catégorie:Mathc initiation (livre)]] : Je vous propose comme cours de référence les trois livres de '''openstax''' en accès libre. Vous pouvez les lire en ligne ou télécharger les PDF. * [https://openstax.org/details/books/calculus-volume-1 Calculus 1], * [https://openstax.org/details/books/calculus-volume-2 Calculus 2], * [https://openstax.org/details/books/calculus-volume-3 Calculus 3]. : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/a08| Analyse I ; Les fonctions]]}} : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/Fichiers h : c60a3| Analyse I : Les courbes paramétriques]]}} : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/c58a3| Analyse I : Les fonctions vectorielles]]}} : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/a334| Analyse I : Les suites et les séries]]}} : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/a16| Analyse II : Dérivées partielles et applications]]}} : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/a09| Analyse III : Intégrale doubles et applications]]}} {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/0044| Analyse III : Intégrale triples et applications]]}} : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/005k| Analyse III : Petite introduction sur les champs de vecteurs]]}} {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/005j| Analyse III : Petite introduction sur les intégrales curvilignes]]}} {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/0045| Analyse III : Intégrale curvilignes et applications.]]}} {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/005h| Analyse III : L'intégrale de surface. L'intégrale de flux de surface]]}} {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/004w| Analyse III : Théorème de Gauss (Théorème de la divergence)]]}} {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/005i| Analyse III : Théorème de Green, de Stoke]]}} : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/a10| Analyse III : Les équations différentielles]]}} : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/a512| Analyse IV : Se familiariser avec la Transformée de Laplace]]}} : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/a584| Analyse IV : Se familiariser avec la transformée en Z]]}} : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/a592| Analyse IV : Se familiariser avec la transformée de Fourier discrète]]}} : {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/a594| Analyse IV : Se familiariser avec les series de Fourier]]}} : . : {{Partie{{{type|}}}|fond={{{fond|}}}|prefixTable=I - |prefix1=Troisième Partie : | '''Bibliothèques'''}} : Pour éviter de devoir télécharger les bibliothèques à chaque sections, je vous propose ici de télécharger les fichiers le plus souvent utilisés. {{Partie{{{type|}}}|[[Mathc initiation/a406| La bibliothèque d'analyse I, II, III :]]}} : {{AutoCat}} cy96j5xq4xhruqjxn0jp42ms6jhsues 0 78309 762427 762375 2026-03-28T14:03:07Z Mewtow 31375 /* L'historique simplifié des chipsets des PC x86 */ 762427 wikitext text/x-wiki Dans ce chapitre, on va voir comment les périphériques communiquent avec le processeur ou la mémoire. On sait déjà que les entrées-sorties (et donc les périphériques) sont reliées au reste de l'ordinateur par un ou plusieurs bus. Pour communiquer avec un périphérique, le processeur a juste besoin de configurer ces bus avec les bonnes valeurs. Dans la façon la plus simple de procéder, le processeur se connecte au bus et reste connecté au bus tant que le périphérique n'a pas traité sa demande, que ce soit une lecture, ou une écriture. Mais les périphériques sont tellement lents que le processeur passe son temps à attendre le périphérique. Aussi, il a fallu trouver une solution pour simplifier la communication avec les périphériques. ==Le contrôleur de périphériques== Pour résoudre ce problème, il suffit d'intercaler un intermédiaire entre le périphérique et le reste de l'ordinateur. Cet intermédiaire s'appelle le '''contrôleur de périphériques'''. Les contrôleurs de périphérique vont du simple circuit de quelques centaines de transistors à un microcontrôleur très puissant. Le contrôleur de périphérique est généralement placé sur la carte mère, mais il peut être intégré directement dans le périphérique, tout dépend de la situation. Le processeur envoie au contrôleur de périphérique des « commandes », des valeurs numériques auxquelles le périphérique répond en effectuant un ensemble d'actions préprogrammées. Le contrôleur de périphérique reçoit les commandes envoyées par le processeur et pilote le périphérique de façon à faire ce qui est demandé. Le boulot du contrôleur de périphérique est de générer des signaux de commande qui déclencheront une action effectuée par le périphérique. L'analogie avec le séquenceur d'un processeur est possible. [[File:Controleur de périphériques.png|centre|vignette|upright=2.5|Contrôleur de périphériques]] ===Les registres d’interfaçage=== Pour faire son travail, le contrôleur de périphérique doit avoir de quoi mémoriser les données à échanger entre processeur et périphérique. Pour cela, il contient des '''registres d'interfaçage''' entre le processeur et les entrées-sorties. Pour simplifier, les registres d’interfaçage sont de trois types : les registres de données, les registres de commande et les registres d'état. * Les ''registres de données'' permettent l'échange de données entre le processeur et les périphériques. On trouve généralement un registre de lecture et un registre d'écriture, mais il se peut que les deux soient fusionnés en un seul registre d’interfaçage de données. * Les ''registres de commande'' sont des registres qui mémorisent les commandes envoyées par le processeur. Quand le processeur veut envoyer une commande au périphérique, il écrit la commande en question dans ce ou ces registres. * Enfin, beaucoup de périphériques ont un ''registre d'état'', lisible par le processeur, qui contient des informations sur l'état du périphérique. Ils servent notamment à indiquer au processeur que le périphérique est disponible, qu'il est en train d’exécuter une commande, qu'il est utilisé par un autre processeur, etc. Ils peuvent parfois signaler des erreurs de configuration ou des pannes touchant un périphérique. [[File:Registres d'interfaçage.png|centre|vignette|upright=2|Registres d'interfaçage.]] Les registres d’interfaçage libèrent le processeur lors de l'accès à un périphérique, mais seulement en partie. Ils sont très utiles pour les transferts du processeur vers les périphériques. Le processeur écrit dans ces registres et fait autre chose en attendant que le périphérique ait terminé : le registre maintient les informations à transmettre tant que le périphérique en a besoin. Une écriture ou en envoi de commande simple demande donc au processeur d'écrire dans les registres d’interfaçage, rien de plus. Mais les transferts dans l'autre sens sont plus problématiques. Par exemple, imaginons que le processeur souhaite lire une donnée depuis le disque dur : le processeur envoie l'ordre de lecture en écrivant dans les registres d’interfaçage, fait autre chose en attendant que la donnée soit lue, puis récupère la donnée quand elle est disponible. Mais comment fait-il pour savoir quand la donnée lue est disponible ? De même, le processeur ne peut pas (sauf cas particuliers) envoyer une autre commande au contrôleur de périphérique tant que la première commande n'est pas traitée, mais comment sait-il quand le périphérique en a terminé avec la première commande ? Pour résoudre ces problèmes, il existe globalement trois méthodes : le ''pooling'', l'usage d'interruptions, et le ''Direct Memory Access''. La solution la plus simple, appelée ''Pooling'', est de vérifier périodiquement si le périphérique a envoyé quelque chose. Par exemple, après avoir envoyé un ordre au contrôleur, le processeur vérifie périodiquement si le contrôleur est prêt pour un nouvel envoi de commandes/données. Sinon le processeur vérifie régulièrement si le périphérique a quelque chose à dire, au cas où le périphérique veut entamer une transmission. Pour faire cette vérification, le processeur a juste à lire le registre d'état du contrôleur : un bit de celui-ci indique si le contrôleur est libre ou occupé. Le ''Pooling'' est une solution logicielle très imparfaite, car ces vérifications périodiques sont du temps de perdu pour le processeur. Aussi, d'autres solutions ont été inventées. ===Les interruptions de type IRQ=== La vérification régulière des registres d’interfaçage prend du temps que le processeur pourrait utiliser pour autre chose. Pour réduire à néant ce temps perdu, certains processeurs supportent les '''interruptions'''. Pour rappel, il s'agit de fonctionnalités du processeur, qui interrompent temporairement l’exécution d'un programme pour réagir à un événement extérieur (matériel, erreur fatale d’exécution d'un programme…). Lors d'une interruption, le processeur suit la procédure suivante : * arrête l'exécution du programme en cours et sauvegarde l'état du processeur (registres et program counter) ; * exécute un petit programme nommé '''routine d'interruption''' ; * restaure l'état du programme sauvegardé afin de reprendre l'exécution de son programme là ou il en était. [[File:Interruption processeur.png|centre|vignette|upright=2|Interruption processeur]] Dans le chapitre sur les fonctions et la pile d'appel, nous avions vu qu'il existait plusieurs types d'interruptions différents. Les interruptions logicielles sont déclenchées par une instruction spéciale et sont des appels de fonctions spécialisés. Les exceptions matérielles se déclenchent quand le processeur rencontre une erreur : division par zéro, problème de segmentation, etc. Les interruptions matérielles, aussi appelées '''IRQ''', sont des interruptions déclenchées par un périphérique et ce sont celles qui vont nous intéresser dans ce qui suit. Les IRQ sont générées par le contrôleur de périphérique quand c'est nécessaire. [[File:Contrôleur de périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Contrôleur de périphérique.]] Avec ces IRQ, le processeur n'a pas à vérifier périodiquement si le contrôleur de périphérique a fini son travail. A la place, le contrôleur de périphérique prévient le processeur avec une interruption. Par exemple, quand vous tapez sur votre clavier, celui-ci émet une interruption à chaque appui/relevée de touche. Ainsi, le processeur est prévenu quand une touche est appuyée, le système d'exploitation qu'il doit regarder quelle touche est appuyée, etc. Pas besoin d'utiliser du ''pooling'', pas besoin de vérifier sans cesse si un périphérique a quelque chose à signaler. A la place, le périphérique déclenche une interruption quand il a quelque chose à dire. ===Les FIFO internes au contrôleur de périphérique=== Le contrôleur de périphérique peut contenir des mémoires FIFO, afin de mettre en attente les transmissions CPU<->périphérique/bus. Rappelons que les transferts se sont entre CPU et contrôleur, puis entre contrôleur et périphérique/bus. Vu que les trois composants ne sont pas synchronisés, il est nécessaire de mettre en attente des transmissions dans les registres d'interfaçage. Mais les registres d'interfaçage ne permettent que de mémoriser une seule transmission à la fois, et ce n'est pas l'idéal niveau performance. Par exemple, prenons l'exemple du circuit 8250 de National Semiconductors, utilisé sur les PC 8 bits. Il s'agissait d'un UART, à savoir d'un circuit qui recevait des octets envoyés sur une liaison série, connectées à un modem ou une imprimante. Il disposait d'un registre d'interface d'un octet en émission, et un autre en réception, ce qui permettait d'envoyer ou de recevoir des trames d'un octet chacune. Les bus auxquels il était relié ne gérait pas des trames plus longues, la transmission se faisait octet par octet. Le problème est que le 8250 générait une interruption processeur à chaque octet reçu ! En soi, ce n'était pas un problème si majeur, car les modems et imprimantes de l'époque étaient très lents, et que les liaisons série de l'époque avaient une fréquence minable. Mais rapidement, avec l'introduction de liaisons série plus rapide, l'UART 8250 générait trop d'interruptions et cela avait un cout en performances. Son successeur, le 16 550 UART, a corrigé ce problème en ajoutant une mémoire FIFO en sortie (et une en entrée, qu'on passe sous silence). Les octets reçus sont copiés non pas vers le registre d'interfaçage, mais vers une mémoire FIFO qui le précède. Elle est capable de mémoriser 16 octets reçus, dans leur ordre de réception. Une interruption est envoyée non pas à chaque octet, mais quand la mémoire FIFO est pleine. Utiliser des mémoires FIFO en réception permet d'accumuler plusieurs transmissions reçues, que le processeur lit en bloc quand il est disponible. Cela permet au processeur de lire plusieurs octets d'un coup assez rapidement, plutôt que d'être dérangé pour chaque octet ou chaque trame. Ainsi, on génère moins d'interruptions. La même méthode peut s'appliquer sans interruptions, avec la technique du ''pooling'', avec des avantages similaires. Et la même chose a lieu en émission : le contrôleur peut accepter plusieurs commandes/données consécutives, et les envoyer aux périphériques une par une. L'envoi des commandes consécutives peut se faire en un seul bloc, ou bien une par une, mais avec un rythme différent de celui du périphérique. ===Un contrôleur de périphérique peut gérer plusieurs périphériques=== Les contrôleurs de périphériques les plus simples ne sont connectés qu'à un seul périphérique, via une connexion point à point. Tel est le cas du port série RS-232 ou des différents ports parallèles, autrefois présents à l'arrière des PC. Mais de nombreux contrôleurs de périphériques sont connectés à plusieurs périphériques. Prenez par exemple l'USB : vous avez plusieurs ports USB sur votre ordinateur, mais ceux-ci sont gérés par un seul contrôleur USB. En fait, ces périphériques sont connectés au contrôleur de périphérique par un '''bus secondaire''', et le contrôleur gère ce qui transite sur le bus. On devrait plutôt parler de '''contrôleur de bus''' que de contrôleur de périphérique dans ce cas précis, mais passons. [[File:Controleur de périphérique qui adresse plusieurs périphériques.png|centre|vignette|upright=2|Contrôleur de périphérique qui adresse plusieurs périphériques]] Les périphériques connectés à un même contrôleur peuvent être radicalement différents, même s’ils sont connectés au même bus. C'est notamment le cas pour tout ce qui est des contrôleurs PCI, USB et autres. On peut connecter en USB aussi bien des clés USB, des imprimantes, des scanners, des lecteurs DVD et bien d'autres. Mais leur respect du standard USB les rend compatibles. Au final, le contrôleur USB gère le bus USB mais se fiche de savoir s’il communique avec un disque dur, une imprimante USB ou quoique ce soit d'autre. Toujours est-il que le contrôleur de périphérique doit pouvoir identifier chaque périphérique. Prenons par exemple le cas où une imprimante, une souris et un disque dur sont connectés en USB sur un ordinateur. Si je lance une impression, le contrôleur de périphérique doit envoyer les données à l'imprimante et pas au disque dur. Pour cela, il attribue à chaque périphérique une ou plusieurs adresses, utilisées pour l'identifier et le sélectionner. En général, les périphériques ont plusieurs adresses : une par registre d’interfaçage. L'adresse permet ainsi d'adresser le périphérique, et de préciser quel registre du contrôleur lire ou écrire. L'adresse d'un périphérique peut être fixée une bonne fois pour toutes dès la conception du périphérique, ou se configurer via un registre ou une EEPROM. Comme on l'a vu dans le chapitre sur les bus, la sélection du bon composant se fait de deux manières : soit les périphériques vérifient si la transmission leur est dédiée, soit on utilise du décodage partiel d'adresse. Le décodage d'adresse n'est pas utilisé quand on peut ajouter ou retirer des périphériques à la demande, la première méthode est plus pratique. Le contrôleur attribue alors une adresse à chaque composant quand il est branché, il attribue les adresses à la volée. Les adresses en question sont alors mémorisées dans le périphérique, ainsi que dans le contrôleur de périphérique. [[File:Décodage d'adresse par le contrôleur de périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Décodage d'adresse par le contrôleur de périphérique.]] ==Les entrées d'interruption du processeur== Implémenter les interruptions matérielles demande d'ajouter des circuits à la fois sur le processeur et sur la carte mère. La méthode la plus simple demande d'ajouter au processeur une entrée d'interruption, qui est mise à 1 quand une interruption survient. Cependant, la majorité des processeurs utilise deux entrées d'interruption : une pour les interruptions masquables, et une autre pour les interruptions non-masquables. ===L'entrée d'interruption : niveaux logiques ou fronts=== Nous allons d'abord nous intéresser aux cas d'une interruption matérielle unique, c'est à dire au cas avec un seul périphérique. On peut par exemple imaginer le cas d'un thermostat, basé sur un couple processeur/RAM/ROM, relié à un capteur de mouvement, qui commande une alarme. Le processeur n'a pas besoin d'interruptions pour gérer l'alarme, mais le capteur de mouvement fonctionne avec des interruptions. Dans ce cas, on a juste besoin d'ajouter une entrée sur le processeur, appelée l''''entrée d'interruption''', souvent notée INTR ou INT. L'entrée d'interruption peut fonctionner de deux manières différentes, qui portent le nom d''''entrée déclenchée par niveau logique''' et d''''entrée déclenchée par front montant/descendant'''. Les noms sont barbares mais recouvrent des concepts très simples. Le plus simple est le cas de l'''entrée déclenchée par niveau logique'' : la mise à 1 de cette entrée déclenche une interruption au cycle d'horloge suivant. En réalité, la majorité des processeurs préfèrent mettre l'entrée INT à 0 pour déclencher une interruption, mais nous allons considérer l'inverse dans ce qui suit. Le processeur vérifie au début de chaque cycle d'horloge si cette entrée est mise à 0 ou 1 et agit en conséquence. Dans le cas le plus basique, le processeur reste en état d'interruption tant que l'entrée n'est pas remise à 0, généralement quand le processeur prévient le périphérique que la routine d'interruption est terminée. Cette solution est très simple pour détecter les interruptions, mais pose le problème de la remise à zéro de l'entrée, qui demande de communiquer avec le contrôleur de périphérique. Une autre solution consiste à utiliser des signaux d'interruption très brefs, qui mettent l'entrée à 1 durant un cycle d'horloge, avant de revenir à 0 (ou l'inverse). Le signal d'interruption ne dure alors qu'un cycle d'horloge, mais le processeur le mémorise dans une bascule que nous nommerons INT#BIT dans ce qui suit. La bascule INT#BIT permet de savoir si le processeur est en train de traiter une interruption ou non. Elle est mise à 1 quand on présente un 1 sur l'entrée d'interruption, mais elle est remise à 0 par le processeur, quand celui-ci active l'entrée Reset de la bascule à la fin d'une routine d'interruption. A l'opposé, avec une ''entrée déclenchée par front montant/descendant'', on doit envoyer un front montant ou descendant sur l'entrée pour déclencher une interruption. La remise à zéro de l'entrée est plus simple qu'avec les entrées précédentes. Si l'entrée détecte aussi bien les fronts montants que descendants, il n'y a pas besoin de remettre l'entrée à zéro. Le problème de ces entrées est que le signal d'interruption arrive pendant un cycle d'horloge et que le processeur ne peut pas le détecter facilement. Pour cela, il faut ajouter quelques circuits qui détectent si un front a eu lieu pendant un cycle, et indique le résultat au processeur. Ces circuits traduisent l'entrée par front en entrée par niveau logique, si on peut dire. Il s'agit le plus souvent d'une bascule déclenchée sur front montant/descendant, rien de plus. ===Les deux entrées d'interruption : masquable et non-masquable=== Pour rappel, le masquage d'interruption permet de retarder ou d'ignorer les interruption tant que le masquage est actif. Les interruptions ignorées/retardées sont dites, masquées comme le veut la terminologie. Le masquage des IRQ s'implémente au niveau du processeur, au niveau de l'entrée d'interruption. En cas de masquage des interruptions, il ignore simplement ce qu'il y a sur l'entrée d'interruption. Mais il doit exécuter l'interruption une fois le masquage levé, ce qui demande de mémoriser qu'une interruption a eu lieu. Pour cela, l'entrée d'interruption masquable contient une bascule qui est mise à 1 quand l'entrée d'interruption passe à 1. Elle est remise à 0 quand le processeur a pris en compte l'interruption et l'a exécutée. De plus, en sortie de la bascule, le processeur ajoute une porte ET pour combiner le contenu de la bascule avec un signal généré par le séquenceur qui dit s'il faut ou non masquer l'interruption Les '''interruptions non-masquables''' ne doivent pas être masquées, quelle que soit la situation. Les interruptions non-masquables sont généralement générées en cas de défaillances matérielles graves, qui demandent une intervention immédiate du processeur. Par exemple : une surchauffe du processeur, une défaillance de l'alimentation électrique, une erreur de parité mémoire, etc. Le résultat de telles défaillances est que l'ordinateur est arrêté/redémarré de force, ou alors affiche un écran bleu. Elles peuvent être générées par un contrôleur de périphérique, ou par des circuits placés sur la carte mère comme un watchdog timer, des circuits de détection de défaillances matérielles, des circuits de contrôle de parité mémoire, etc. Si on omet les défaillances matérielles, les interruptions non-masquables servent pour la gestion du watchdog timer, vu il y a quelques chapitres. Pour rappel, le watchdog timer est un mécanisme de sécurité qui redémarre l'ordinateur s'ils suspecte que celui-ci a planté. Le watchdog timer est un compteur/décompteur qui redémarre le système s'il déborde. Mais une interruption non-masquable réinitialise le watchdog timer régulièrement, ce qui signifie que le système n'est pas censé redémarrer. Pour gérer les interruptions non-masquables, beaucoup de processeurs ont deux entrées d'interruption séparées : une pour les interruptions masquables, une autre pour les interruptions non-masquables. C'est le cas des premiers processeurs x86 des PCs, qui disposent d'une entrée INTR pour les interruptions masquables, et une entrée NMI pour les interruptions non-masquables. La différence entre les deux est l'usage ou non de la bascule mentionnée plus haut. L'entrée d'interruption normale dispose de cette bascule pour le masquage, alors que l'entrée d'interruption non-masquable ne l'a pas. ==Le contrôleur d'interruption== Précédemment, nous avons vu le cas où nous n'avons qu'un seul contrôleur de périphérique dans l’ordinateur. Mais avec plusieurs périphériques, l'implémentation des interruptions matérielles est plus compliqué. Dans une implémentation simple des IRQ, chaque contrôleur de périphérique envoie ses interruptions au processeur via une entrée dédiée. Mais cela demande de brocher une entrée d'interruption par périphérique, ce qui limite le nombre de périphériques supportés. Et c'est dans le cas où chaque périphérique n'a qu'une seule interruption, mais un périphérique peut très bien utiliser plusieurs interruptions. Par exemple, un disque dur peut utiliser une interruption pour dire qu'une écriture est terminée, une autre pour dire qu'il est occupé et ne peut pas accepter de nouvelles demandes de lecture/écriture, etc. [[File:Entrées d'interruptions séparées pour chaque périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Entrées d'interruptions séparées pour chaque périphérique]] Une autre possibilité est de connecter tous les périphériques à l'entrée d'interruption à travers une porte OU ou un OU câblé, mais elle a quelques problèmes. Déjà, cela suppose que l'entrée d'interruption est une entrée déclenchée par niveau logique. Mais surtout, elle ne permet pas de savoir quel périphérique a causé l'interruption, et le processeur ne sait pas quelle routine exécuter. [[File:Entrée d'interruption partagée.png|centre|vignette|upright=2|Entrée d'interruption partagée]] Pour résoudre ce problème, il est possible de modifier la solution précédente en ajoutant un ''numéro d'interruption'' qui précise quel périphérique a envoyé l'interruption, qui permet de savoir quelle routine exécuter. Au lieu d'avoir une entrée par interruption possible, on code l'interruption par un nombre et on passe donc de <math>N</math> entrées à <math>log_2{(N)}</math> entrées. Le processeur récupère ce numéro d'interruption, qui est généré à l'extérieur du processeur. Pour implémenter cette solution, on a inventé le '''contrôleur d'interruptions'''. C'est un circuit qui récupère toutes les interruptions envoyées par les périphériques et qui en déduit : le signal d'interruption et le numéro de l'interruption. Le numéro d'interruption est souvent mémorisé dans un registre interne au contrôleur d'interruption, souvent mappé en mémoire. Il dispose d'une entrée par interruption/périphérique possible et une sortie de 1 bit qui indique si une interruption a lieu. Il a aussi une sortie pour le numéro de l'interruption, qui permet au processeur de lire le numéro d'interruption. [[File:Contrôleur d'interruptions IRQ.png|centre|vignette|upright=3|Contrôleur d'interruptions IRQ]] L'intérieur d'un contrôleur d'interruption n'est en théorie pas très compliqué. Déterminer le signal d'interruption demande de faire un simple OU entre les entrées d'interruptions. Déduire le numéro de l'interruption demande d'utiliser un simple encodeur, de préférence à priorité. Pour gérer le masquage, il suffit d'ajouter un circuit de masquage en amont de l'encodeur, ce qui demande quelques portes logiques ET/NON. ===La contrôleur d'interruption est une entrée-sortie comme une autre=== Pour récupérer le numéro d'interruption, le processeur doit communiquer avec le contrôleur d'interruption. Pour cela, le contrôleur d'interruption est techniquement traité comme n'importe quel périphérique. Le registre pour le numéro d'interruption est simplement mappé en mémoire RAM, à savoir qu'il est lisible à une adresse bien précise. Et on peut aller plus loin : tous les registres du contrôleur d'interruption sont mappés en mémoire, le contrôleur d'interruption est adressable comme tout périphérique mappé en mémoire. Le numéro d'interruption est alors toujours mémorisé dans un registre interne au contrôleur d'interruption, et le processeur lit ce registre en passant par le bus de données. Dans le cas le plus simple, le numéro d'interruption est envoyé au processeur sur un bus dédié. Le défaut de cette technique est qu'elle demande d'ajouter des broches d'entrée sur le processeur. Une autre solution connecte le contrôleur d'interruption sur le bus système. Les deux solutions sont des détails d'implémentation. Mais dans les deux cas, le contrôleur d'interruption doit être connecté sur le processeur, sur son entrée d'interruption au minimum, via des fils dédiés. Le résultat est un mélange entre bus dédié et connexion au bus système/IO. Nous verrons cela avec l'exemple qui va suivre. Pour rentrer dans le détail, étudions le cas du contrôleur d'interruption 8259 couplé à un processeur Intel 486. L'Intel 8259 était un contrôleur d'interruption utilisé dans les premiers PC. Il était présent sur toutes les cartes mères des PC de l'époque, il a vraiment eu son heure de gloire. Il gérait 8 interruptions, grâce à 8 entrées IRQ et une sortie d'interruption. C'est peu, mais laissons cela de côté pour le moment. Il était connecté sur le bus de données du processeur, qui servait de bus système. En plus des 8 entrées IRQ, et des entrées CAS qu'on laisse de côté pour le moment, il disposait de broches spécialisées pour communiquer avec le processeur. * La sortie INTR permettait d'envoyer une interruption au processeur. * L'entrée INTA (''Interrupt Acwnoledge'') permettait au processeur de dire qu'il avait bien pris en compte l'interruption, ce qui permettait au 8259 de remettre sa sortie INTR à zéro. * Les deux signaux RD et WR permettaient au processeur de lire/écrire les registres du 8259. La broche WR était mise à 0 quand le processeur envoyait une commande au 8259, RD était mis à 0 quand il lisait ses registres. * Un bus de 8 bits permettait de connecter le contrôleur d'interruption au bus de données. Le 8259 était traité comme une entrée-sortie tout ce qu'il y a de plus banale. Il était connecté sur le bus système, au même titre que les entrées-sorties, la mémoire, etc. Il n'y avait pas de bus dédié, au-delà des broches INTR, INTA. Il est donc connecté aux circuits qui administrent le bus système, qui est lui-même relié au processeur. Vu que ses registres étaient mappés en mémoire RAM, il était relié au circuit décodeur d'adresse, que nous verrons en détail dans le prochain chapitre. Pour rappel, ce décodeur d'adresse connecte/déconnecte les entrées-sorties du bus, suivant les adresses envoyées dessus. Si l'adresse envoyée est destinée à la RAM ou une ROM, les entrées-sorties sont déconnectées du bus, en mettant à zéro leur signal CS (''Chip Select''). Si l'adresse est destinée à une entrée-sortie, elle est connectée sur le bus, en mettant son signal CS à 1. Le 8258 avait une entrée CS connectée directement à ce décodeur d'adresse, comme toutes les autres entrées-sorties. Il avait aussi une entrée d'adresse de un bit, qui permettait d'adresser les registres internes au 8259. Notons que le bus dédié était un bus de 8 bits, alors que les processeurs Intel de l'époque étaient des processeurs 16 ou 32 bits. Leur bus de données faisait donc 16 ou 32 bits, ce qui ne collait pas avec les 8 bits du 8259. Il y avait donc un circuit pour faire l'interface entre les deux, qui est représenté ci-dessous avec deux circuits : une mémoire tampon de 32 bits et un circuit de commande de ''byte swap''. [[File:Intel486 with 82C59A.png|centre|vignette|upright=2|Intel486 with 82C59A]] ===Les contrôleurs d'interruption en cascade=== Un contrôleur d'interruption permet de gérer un nombre limité d'interruptions. Par exemple, l'ancien Intel 8259 gérait 8 interruptions avec 8 entrées IRQ et une sortie d'interruption. Même pour l'époque, ce n'était pas assez. Un PC contenait plus de 8 périphériques, en tenant compte de la ''real time clock'' et d'autres composants intégrés sur la carte mère. Aussi, il fallait trouver une solution pour gérer plus de 8 interruptions. Et la solution a été d'utiliser plusieurs contrôleurs d'interruption en cascade, à savoir que le second contrôleur d'interruption émettait une interruption vers le premier. C'était le cas avec les premiers processeurs d'Intel dès le 8086, notamment le 486, utilisaient deux contrôleurs Intel 8259 : un contrôleur maitre, un contrôleur esclave. Le contrôleur esclave gérait les interruptions liées au bus ISA, le bus pour les cartes d'extension utilisé à l'époque, alors que le contrôleur maitre gérait le reste. Leur sortie d'interruption était soit connectée au processeur (pour le contrôleur maître), soit au contrôleur maître (pour le contrôleur esclave). Le tout permettait de gérer 15 interruptions : 8 interruptions pour le contrôleur esclave, 7 pour le contrôleur maitre (une des entrées était prise par le contrôleur esclave). Le fonctionnement était le suivant. Si une interruption avait lieu en dehors du bus ISA, le contrôleur maitre gérait l'interruption. Mais si une interruption avait lieu sur le bus ISA, le contrôleur esclave recevait l'interruption, générait un signal transmis au contrôleur maitre sur l'entrée IRQ 2, qui lui-même transmettait le tout au processeur. Le processeur accédait alors au bus qui le reliait aux deux contrôleurs d'interruption, et lisait le registre pour récupérer le numéro de l'interruption. [[File:Intel486 and cascading PIC.png|centre|vignette|upright=2|Contrôleurs d'interruptions IRQ du 486 d'Intel.]] [[File:Intel 8259.svg|vignette|Intel 8259]] En théorie, jusqu'à 8 contrôleurs 8259 peuvent être mis en cascade, ce qui permet de gérer 64 interruptions. Il faut alors disposer de 8 contrôleurs esclaves et d'un contrôleur maitre. La mise en cascade est assez simple sur le principe : il faut juste envoyer la sortie INTR de l'esclave sur une entrée d'IRQ du contrôleur maitre. Il faut cependant que le processeur sache dans quel 8259 récupérer le numéro de l'interruption. Pour cela, l'Intel 8259 disposait de trois entrées/sorties pour permettre la mise en cascade, nommées CAS0, CAS1 et CAS2. Sur ces entrées/sorties, on trouve un identifiant allant de 0 à 7, qui indique quel contrôleur 8259 est le bon. On peut le voir comme si chaque 8259 était identifié par une adresse codée sur 3 bits, ce qui permet d'adresser 8 contrôleurs 8259. Les 8 valeurs permettent d'adresser aussi bien le maitre que l'esclave, sauf dans une configuration : celles où on a 1 maitre et 8 esclaves. Dans ce cas, on considère que le maitre n'est pas adressable et que seuls les esclaves le sont. Cette limitation explique pourquoi on ne peut pas dépasser les 8 contrôleurs en cascade. Les entrées/sorties CAS de tous les contrôleurs 8259 sont connectées entre elles via un bus, le contrôleur maitre étant l'émetteur, les autres 8259 étant des récepteurs. Le contrôleur maitre émet l'identifiant du contrôleur esclave dans lequel récupérer le numéro de l'interruption sur ce bus. Les contrôleurs esclaves réagissent en se connectant ou se déconnectant du bus utilisé pour transmettre le numéro d'interruption. Le contrôleur adéquat, adressé par le maitre, se connecte au bus alors que les autres se déconnectent. Le processeur est donc certain de récupérer le bon numéro d'interruption. Lorsque c'est le maitre qui dispose du bon numéro d'interruption, il se connecte au bus, mais envoie son numéro aux 8259 esclaves pour qu'ils se déconnectent. Le fait de mettre en cascade deux 8259 a fonctionné pour les PC avec un bus ISA. Mais avec l'introduction du bus PCI, les choses sont devenues bien plus complexes. Le nombre de périphériques, et donc d'interruptions, a grimpé en flèche. Le même problème de manque d'interruption s'est fait sentir, et la solution a été similaire : rajouter un contrôleur d'interruption en cascade. Sauf que pour le bus PCI, on n'a pas rajouté un 8259, mais un autre contrôleur d'interruption dédié au bus PCI, appelé le PIR (''Programmable Interrupt Request''). Ce contrôleur d'interruption émettait 4 fils vers le 8259 esclave, connectés aux entrées d'IRQ numéro 5, 9, 10, et 11. ===Les interruptions sur les systèmes multicœurs et multi-processeurs=== L'arrivée des systèmes avec plusieurs processeurs, plusieurs cœurs, a demandé d'adapter les contrôleurs d'interruption. Et en plus d'adapter le tout aux systèmes multicœurs, il a été décidé de simplifier les contrôleurs d'interruption, en réduisant leur mise en cascade. Pour cela, les deux 8259 ont été remplacés par un unique contrôleur d'interruption, appelé l''''APIC''' (''Advanced PIC''). Je dis un contrôleur d'interruption, mais l'APIC est en réalité un standard qui peut être respecté par des contrôleurs d'interruption très différents. Si les plus simples se contentent de remplacer deux 8259 en cascade, d'autres vont plus loin et intègrent carrément un PIC pour le bus PCI ! Les tout premiers APIC avaient 16 entrées d'interruption et se contentaient de remplacer à la lettre les deux 8259. Le PIC pour le bus PCI était toujours présent. Par la suite, d'autres APIC sont apparus, avec 24 ou 32 entrées d'interruption. Typiquement, les 16 premières entrées d'interruptions étaient réservées pour remplacer/émuler les deux 8259, le reste était utilisable avec plus ou moins de flexibilité. Par exemple, un APIC avec 32 entrées d'interruption peut utiliser 16 entrées rien que pour le bus PCI, ce qui permet parfois de se passer de PIC. Un exemple d'APIC était le 82093AA. Il disposait de 24 entrées d'IRQ : 13 pour le bus ISA, 4 pour le bus PCI, une entrée d'interruption pour mettre des contrôleurs d'interruption en cascade, le reste était plus ou moins spécialisé. Le standard impose la présence de plusieurs contrôleurs d'interruptions. Chaque cœur/processeur a son propre contrôleur d'interruption, avec un contrôleur général. Le contrôleur d'interruption général est nommé ''IO-APIC'', les autres sont les APIC locaux (''local-APIC''). L'''IO-APIC'' reçoit les interruptions provenant des périphériques, et les redirige vers les processeurs/cœurs adéquats. Pour cela, sont tous reliés soit par un bus APIC dédié, soit par le bus système ou un bus existant. [[File:Contrôleurs d'interrptions sur systèmes x86 multicoeurs.png|centre|vignette|upright=1.5|Contrôleurs d'interruptions sur systèmes x86 multicœurs.]] Le premier APIC était le 82489DX. Il était prévu pour les systèmes avec deux cœurs, deux processeurs. Il regroupait l'IO-APCI et deux APIC locaux en un seul circuit. Mais cette solution a ensuite été modifiée, les APIC locaux ont été intégrés aux processeurs/cœurs eux-mêmes, ne laissant que l'IO-APCI sur la carte mère, dans son ''chipset''. Le standard APIC a évolué pour donner l'xAPIC et le x2APIC. La différences principales sont que le nombre de processeurs/cœurs supporté est passé respectivement à 256, puis à 2^32. ===Les ''Message Signaled Interrupts''=== Les interruptions précédentes demandent d'ajouter un fil par périphérique, pour que celui-ci signale une interruption au contrôleur d'interruption. Prenons l'exemple d'une carte mère qui dispose de 5 ports ISA, ce qui permet de connecter 5 périphériques ISA sur la carte mère. Chaque port ISA a un fil d'interruption pour signaler que le périphérique veut déclencher une interruption, ce qui demande de relier 5 fils au contrôleur de périphérique. Cela n'a pas l'air grand-chose, mais rappelons qu'une carte mère moderne gère facilement une dizaine de bus différents, donc certains pouvant connecter une demi-dizaine de composants. Le nombre de fils à câbler est alors important. Il existe cependant un type d'interruption qui permet de se passer de ces fils d'interruptions : les '''interruptions signalées par message''', ''Message Signaled Interrupts'' (MSI) en anglais. Elles sont utilisées sur le bus PCI et son successeur, le PCI-Express, deux bus très importants et utilisés pour les cartes d'extension dans presque tous les ordinateurs modernes et anciens. Aussi, nous allons prendre l'exemple du bus PCI Express dans ce qui suit, même si les explications fonctionnent pour d'autres bus. Les interruptions signalées par message sont déclenchées quand le périphérique écrit dans une adresse allouée spécifiquement pour, appelée une ''adresse réservée''. Le contrôleur d'interruption surveille en permanence ce qui est transmis sur le bus PCI Express. Dès qu'il voit passer une écriture à cette adresse réservée, il déclenche une interruption sur le processeur. Le reste du traitement de l'interruption est le même qu'avec les IRQ. Le processeur ayant reçu l'interruption communique alors avec le contrôleur d'interruption pour savoir quel périphérique a déclenché une interruption, récupérer le numéro de l'interruption, etc. : Le processeur a toujours une entrée d'interruption unique reliée, reliée au contrôleur d'interruption, ce sont les fils entre périphérique et contrôleur d'interruption qui disparaissent. Une implémentation possible place les adresses réservées dans le contrôleur d'interruption. Les adresses réservées correspondent à des registres du contrôleur d'interruption, qui sont mappés en mémoire. Toute écriture dans cette adresse réservée modifiera donc un registre du contrôleur d'interruption. La détection de l'écriture dans une adresse réservée est donc particulièrement simple. Il y a une adresse réservée par interruption, ce qui fait que le contrôleur d'interruption détermine le numéro de l'interruption à partir de l'adresse réservée utilisée/écrite. Le périphérique écrit un message dans l'adresse réservée, qui donne des informations sur l'interruption : le numéro d'interruption au minimum, souvent d'autres informations. Un avantage est que cela permet de gérer un grand nombre d'interruptions assez facilement. On n'est plus limité par un nombre de fils, la limite tient dans le nombre d'adresses réservées. Et les controleurs d'interruptions peuvent facilement gérer un grand nombre d'adresse, tant qu'ils ont le hardware pour. L'ancien PCI 2.2 gère jusqu'à 32 adresses réservées, le bus PCI 3.0 MSI-X alloue 2048 adresses réservées. En comparaison le bus PCI gérait maximum 4 IRQ câblées, du fait des limitations en termes de fils (deux fils maximum). Un avantage lié au précédent est que cela simplifie la gestion des interruptions pour le processeur. Les 4 interruptions du bus PCI étaient partagées entre périphériques PCI, ce qui fait que le processeur avait du mal à déterminer quel périphérique avait lancé une interruption. Quand deux périphériques PCI partageaient une interruption, le processeur avait du mal à savoir lequel des deux lançait l'interruption. Mais avec les MSI, on a assez d'interruption pour ne pas avoir à les partager entre périphériques. Chaque périphérique a ses interruptions, ses adresses réservées, il ne marche pas sur les pieds des autres périphériques. Un autre avantage est que les interruptions passent par le bus PCI Express. La conséquence est que sur les systèmes multicoeurs/multi-processeurs, il n'y a pas besoin d'utiliser de contrôleur d'interruption général, d'IO-APIC. La présence d'APIC locaux est toujours nécessaire, mais l'IO-APIC n'est gardé que par souci de compatibilité avec les vieilles interruptions PCI. ===Les généralités sur les interruptions matérielles=== Peu importe que les interruptions soient implémentées avec une entrée d'interruption ou avec une signalisation par messages, certaines fonctionnalités sont souvent implémentées par le contrôleur d'interruption. Par exemple, il est possible de prioriser certaines interruptions sur les autres, ce qui permet de gérer le cas où plusieurs interruptions ont lieu en même temps. De même, il est possible de mettre en attente certaines interruptions, voire de les désactiver. En premier lieu, voyons pourquoi il est pertinent de prioriser certaines interruptions plutôt que d'autres. Quand plusieurs interruptions se déclenchent en même temps, on ne peut en exécuter qu'une seule. Pour gérer des interruptions simultanées, un '''système de priorité d'interruption''' est mis en place, où certaines interruptions sont prioritaires sur les autres. Par exemple, l'interruption qui gère l'horloge système est prioritaire sur les interruptions en provenance de périphériques lents comme le disque dur ou une clé USB. Quand plusieurs interruptions souhaitent s'exécuter en même temps, on exécute d'abord celle qui est la plus prioritaire, les autres sont alors mises en attente. La gestion des priorités est gérée par le contrôleur d'interruption, ou par le processeur si le contrôleur d'interruption est absent. Pour gérer les priorités, l'encodeur présent dans le contrôleur de périphérique doit être un encodeur à priorité, et cela suffit. On peut configurer les priorités de chaque interruption, à condition que l'encodeur à priorité soit configurable et permette de configurer les priorités de chaque entrée. Ensuite, il faut aussi parler du '''masquage des interruptions''', qui pour rappel, permet de désactiver temporairement les interruptions. Si le masquage est temporairement activé, les interruptions sont soit ignorées, soit mise en attente et exécutées une fois le masquage levé. Le masquage peut être total, dans le sens où toutes les interruptions masquables sont masquées en bloc, ce qui revient à désactiver les interruptions (sauf les non-masquables). On parle alors de masquage global. Mais il est aussi possible de ne masquer qu'une partie des interruptions masquables. Par exemple, on peut ignorer l'interruption numéro 5 provenant du disque dur, mais pas l'interruption numéro 0 du ''watchdog timer'', alors que les deux sont masquables. On parle alors de '''masquage d'interruption sélectif'''. L'avantage est que cela permet de simplifier l'implémentation des interruptions masquables et non-masquables. Le contrôleur d'interruption gère de lui-même le masquage des interruptions. Dans le cas le plus simple, où on masque toutes les interruptions en bloc, il suffit d'ajouter un '''bit MASK''' dans le contrôleur d'interruption, qui dit si les interruptions sont masquées ou non. La valeur du bit est combinée avec les signaux d'interruptions pour calculer le signal à envoyer sur l'entrée d'interruption finale. Notons que le contrôleur n'utilise ce bit que pour les interruptions non-masquables. Il dispose de deux sorties : une pour l'entrée d'interruption normale, l'autre pour l'entrée d'interruption masquable. Le bit MASK n'agit que sur la sortie pour les interruptions masquables, pas l'autre. [[File:Masquage global des interruptions dans le controleur d'interruption.png|centre|vignette|upright=2|Masquage global des interruptions dans le controleur d'interruption]] Masquer les interruptions individuellement demande quelques adaptations. Mais l'idée est globalement d'avoir un bit MASK pour chaque interruption, de le dupliquer en autant d'interruption masquables existantes, et de les regrouper dans un registre. Pour cela, le contrôleur d'interruption (ou le processeur) disposent d'un registre appelé le '''registre de masque d'interruption'''. Chaque bit de ce registre est associé à une interruption : le bit numéro 0 est associé à l'interruption numéro 0, le bit 1 à l'interruption 1, etc. Si le bit est mis à 1, l'interruption correspondante est ignorée. Inversement, si le bit est mis à 0 : l'interruption n'est pas masquée. ==Le ''Direct memory access''== Avec les interruptions, seul le processeur gère l'adressage de la mémoire. Impossible à un périphérique d'adresser la mémoire RAM ou un autre périphérique, il doit forcément passer par l'intermédiaire du processeur. Pour éviter cela, on a inventé le ''bus mastering'', qui permet à un périphérique de lire/écrire sur le bus système. C'est suffisant pour leur permettre d'adresser la mémoire directement ou de communiquer avec d’autres périphériques directement, sans passer par le processeur. Le '''Direct Memory Access''', ou DMA, est une technologie de ''bus mastering'' qui permet de copier un bloc de mémoire d'une source vers la destination. La source et la destination peuvent être la mémoire ou un périphérique, ce qui permet des transferts mémoire -> mémoire (des copies de données, donc), mémoire -> périphérique, périphérique -> mémoire, périphérique -> périphérique. Le bloc de mémoire commence à une adresse appelée adresse de départ, et a une certaine longueur. Soit il est copié dans un autre bloc de mémoire qui commence à une adresse de destination bien précise, soit il est envoyé sur le bus à destination du périphérique. Ce dernier le reçoit bloc pièce par pièce, mot mémoire par mot mémoire. Sans DMA, le processeur doit copier le bloc de mémoire mot mémoire par mot mémoire, byte par byte. Avec DMA, la copie se fait encore mot mémoire par mémoire, mais le processeur n'est pas impliqué. ===Le contrôleur DMA=== Avec le DMA, l'échange de données entre le périphérique et la mémoire est intégralement géré par un circuit spécial : le '''contrôleur DMA'''. Il est généralement intégré au contrôleur de périphérique et placé sur la carte mère, parfois intégré au périphérique, parfois intégré au processeur, mais est toujours connecté au bus mémoire. Le contrôleur DMA contient des registres d'interfaçage dans lesquels le processeur écrit pour initialiser un transfert de données. Un transfert DMA s'effectue sans intervention du processeur, sauf au tout début pour initialiser le transfert, et à la fin du transfert. Le processeur se contente de configurer le contrôleur DMA, qui effectue le transfert tout seul. Une fois le transfert terminé, le processeur est prévenu par le contrôleur DMA, qui déclenche une interruption spécifique quand le transfert est fini. Le contrôleur DMA contient généralement plusieurs compteurs : un pour l'adresse de la source, un pour l'adresse de destination, un autre pour le nombre de bytes restants à copier. Les deux compteurs d'adresse sont initialisé avec l'adresse source/destination de départ, à savoir l'adresse du bloc à copier et celle du bloc de destination. Elle est incrémenté ou décrémentée à chaque envoi de données sur le bus. Le compteur de ''byte'' restant est décrémenté à chaque copie d'un mot mémoire sur le bus. Le compteur de bytes restant est purement interne au contrôleur mémoire, alors que le contenu des compteurs d'adresse est envoyé sur le bus d'adresse à chaque copie de mot mémoire. [[File:DMA controller transfer count register.jpg|centre|vignette|upright=2.5|DMA controller transfer count register]] [[File:DMA controller memory address registers.jpg|centre|vignette|upright=2.5|DMA controller memory address registers]] Outre les compteurs, le contrôleur DMA contient aussi des registres de contrôle. Ils mémorisent des informations très variées : avec quel périphérique doit-on échanger des données, les données sont-elles copiées du périphérique vers la RAM ou l'inverse, et bien d’autres choses encore. [[File:Controleur DMA.png|centre|vignette|upright=2.5|Controleur DMA]] Le contrôleur DMA contient aussi des registres internes pour effectuer la copie de la source vers la destination. La copie se fait en effet en deux temps : d'abord on lit le mot mémoire à copier dans l'adresse source, puis on l'écrit dans l'adresse de destination. Entre les deux, le mot mémoire est mémorisé dans un registre temporaire, de même taille que la taille du bus. Mais sur certains bus, il existe un autre mode de transfert, où le contrôleur DMA ne sert pas d'intermédiaire. Le périphérique et la mémoire sont tous deux connectés directement au bus mémoire, la copie est directe, le contrôleur DMA s'occupe juste du bus d'adresse et n'accède pas au bus de données lors des transferts. Les deux modes sont différents, le premier étant plus lent mais beaucoup plus simple à mettre en place. Il est aussi très facile à mettre en place quand le périphérique et la mémoire n'ont pas la même vitesse. ===Les modes de transfert DMA=== Il existe trois façons de transférer des données entre le périphérique et la mémoire : le mode ''block'', le mode ''cycle stealing'', et le mode transparent. Dans le '''mode block''', le contrôleur mémoire se réserve le bus mémoire, et effectue le transfert en une seule fois, sans interruption. Cela a un désavantage : le processeur ne peut pas accéder à la mémoire durant toute la durée du transfert entre le périphérique et la mémoire. Alors certes, ça va plus vite que si on devait utiliser le processeur comme intermédiaire, mais bloquer ainsi le processeur durant le transfert peut diminuer les performances. Dans ce mode, la durée du transfert est la plus faible possible. Il est très utilisé pour charger un programme du disque dur dans la mémoire, par exemple. Eh oui, quand vous démarrez un programme, c'est souvent un contrôleur DMA qui s'en charge ! Dans le '''mode cycle stealing''', on est un peu moins strict : cette fois-ci, le contrôleur ne bloque pas le processeur durant toute la durée du transfert. En cycle stealing, le contrôleur va simplement transférer un mot mémoire (un octet) à la fois, avant de rendre la main au processeur. Puis, le contrôleur récupérera l'accès au bus après un certain temps. En gros, le contrôleur transfère un mot mémoire, fait une pause d'une durée fixe, puis recommence, et ainsi de suite jusqu'à la fin du transfert. Et enfin, on trouve le '''mode transparent''', dans lequel le contrôleur DMA accède au bus mémoire uniquement quand le processeur ne l'utilise pas. ===Les limitations en termes d’adressage=== Les contrôleurs DMA sont parfois limités sur quelques points, ce qui a des répercussions dont il faut parler. Les limitations que nous voir ne sont pas systématiques, mais elles sont fréquentes, aussi il vaut mieux les connaitres. La première limitation est que le contrôleur DMA n'a pas accès à tout l'espace d'adressage du processeur. Par exemple, le contrôleur DMA du bus ISA, que nous étudierons plus bas, avait accès à seulement aux 16 mébioctets au bas de l'espace d'adressage, à savoir les premiers 16 mébioctets qui commencent à l'adresse zéro. Le processeur pouvait adresser bien plus de mémoire. La chose était courante sur les systèmes 32 bits, où les contrôleurs DMA géraient des adresses de 20, 24 bits. Le problème est systématique sur les processeurs 64 bits, où les contrôleurs DMA ne gèrent pas des adresses de 64 bits, mais de bien moins. Typiquement, le contrôleur DMA ne gère que les adresses basses de l'espace d'adressage. Le pilote de périphérique connait les limitations du contrôleur DMA, et prépare les blocs aux bons endroits, dans une section adressable par le contrôleur DMA. Le problème est que les applications qui veulent communiquer avec des périphériques préparent le bloc de données à transférer à des adresses hautes, inaccessibles par le contrôleur DMA. La solution la plus simple consiste à réserver une zone de mémoire juste pour les transferts DMA avec un périphérique, dans les adresses basses accessibles au contrôleur DMA. La zone de mémoire est appelée un '''tampon DMA''' ou encore un ''bounce buffer''. Si une application veut faire un transfert DMA, elle copie les données à transmettre dans le tampon DMA et démarre le transfert DMA par l'intermédiaire du pilote de périphérique. Le transfert en sens inverse se fait de la même manière. Le périphérique copie les données transmises dans le tampon DMA, et son contenu est ensuite copié dans la mémoire de l'application demandeuse. Il peut y avoir des copies supplémentaires vu que le tampon DMA est souvent géré par le pilote de périphérique en espace noyau, alors que l'application est en espace utilisateur. Diverses optimisations visent à réduire le nombre de copies nécessaires, elles sont beaucoup utilisées par le code réseau des systèmes d'exploitation. ===Les limitations en termes d’alignement=== La seconde limitation des contrôleurs DMA est qu'ils ne gèrent que des transferts alignés, c'est-à-dire que les adresses de départ/fin du transfert doivent être des multiples de 4, 8, 16, etc. La raison est que le contrôleur DMA effectue les transferts par blocs de 4, 8, 16 octets. En théorie, les blocs pourraient être placés n'importe où en mémoire, mais il est préférable qu'ils soient alignés pour simplifier le travail du contrôleur DMA et économiser quelques circuits. Les registres qui mémorisent les adresses sont raccourcis, on utilise moins de fils pour le bus mémoire ou la sortie du contrôleur DMA, etc. À noter que cet alignement est l'équivalent pour le contrôleur DMA de l'alignement mémoire du processeur. Mais les deux sont différents : il est possible d'avoir un processeur avec un alignement mémoire de 4 octets, couplé à un contrôleur DMA qui gère des blocs alignés sur 16 octets. Un défaut de cet alignement est que les blocs à transférer via DMA doivent être placés à des adresses bien précises, ce qui n'est pas garanti. Si le pilote de périphérique est responsable des transferts DMA, alors rien de plus simple : il dispose de mécanismes logiciels pour allouer des blocs alignés correctement. Mais si le bloc est fourni par un logiciel (par exemple, un jeu vidéo qui veut copier une texture en mémoire vidéo), les choses sont tout autres. La solution la plus simple est de faire une copie du bloc incorrectement aligné vers un nouveau bloc correctement aligné. Mais les performances sont alors très faibles, surtout pour de grosses données. Une autre solution est de transférer les morceaux non-alignés sans DMA? et de copier le reste avec le DMA. ===Le 8237 et son usage dans les PC=== Le 8237 d'Intel était un contrôleur DMA (''Direct Memory Access'') présents dans les premiers PC. Il a d'abord été utilisé avec les processeurs 8086, puis avec le 8088. Le processeur 8086 était un processeur 16 bits, c'est-à-dire manipulait les données sur 16 bits, mais utilisait des adresses sur 20 bits (adressage segmenté, en utilisant deux registres 16 bits, dont un registre de segment décalé de 4 bits). Le processeur 8088 était identique au 8086 mais utilisait un bus de données 8 bits (les instructions accédant la mémoire ou l'interface d'entrée-sortie sur 16 bits prenant des cycles supplémentaires car exécutées en deux temps : octet de poids faible, puis octet de poids fort), il avait lui aussi un bus d'adresse sur 20 bits, ce qui était incompatible avec les capacités 16 bits du 8237. Cependant, cela n'a pas empêché d'utiliser le 8237 sur les premiers PC, mais avec quelques ruses. ====L'usage du 8237 sur les premiers IBM PC==== Pour utiliser un 8237 avec un adressage de 16 bits sur un bus d'adresse de 20 bits, il faut fournir les 4 bits manquants. Ils sont mémorisés dans un registre de 4 bits, placés dans un circuit 74LS670. Ce registre est configuré par le processeur, mais il n'est pas accessible au contrôleur DMA. Les architectures avec un bus de 24 bits utilisaient la même solution, sauf que le registre de 4 bits est devenu un registre de 8 bits. Cette solution ressemble pas mal à l'utilisation de la commutation de banque (''bank switching''), mais ce n'en est pas vu que le processeur n'est pas concerné et que seul le contrôleur DMA l'est. Le contrôleur DMA ne gère pas des banques proprement dit, car il n'est pas un processeur, mais quelque chose d'équivalent que nous appellerons "pseudo-banque" dans ce qui suit. Les registres de 4/8 bits ajoutés pour choisir la pseudo-banque sont appelés des registres de pseudo-banque DMA ou page DMA. Un défaut de cette solution est que le contrôleur DMA gère 16 pages de 64 Kibioctets, au lieu d'une seul de 1 Mébioctets. S'il démarre une copie, celle-ci ne peut pas passer d'une page à une autre. Par exemple, si on lui demande de copier 12 Kibioctets, tout se passe bien si les 12 Kb sont tout entier dans une page. Mais si jamais les 3 premiers Kb sont dans une page, et le reste dans la suivante, alors le contrôleur DMA ne pourra pas faire la copie. Dans un cas pareil, le compteur d'adresse est remis à 0 une fois qu'il atteint la fin de la page, et la copie reprend au tout début de la page de départ. Ce défaut est resté sur les générations de processeurs suivantes, avant que les faibles performances du 8237 ne forcent à mettre celui-ci au rebut. Le 8237 peut gérer 4 transferts DMA simultanés, 4 copies en même temps. On dit aussi qu'il dispose de 4 '''canaux DMA''', qui sont numérotés de 0 à 3. La présence de plusieurs canaux DMA fait que les registres de pseudo-banque de 4/8 bits doivent être dupliqués : il doit y en avoir un par canal DMA. Le 8237 avait quelques restrictions sur ces canaux. Notamment, seuls les canaux 0 et 1 pouvaient faire des transferts mémoire-mémoire, les autres ne pouvant faire que des transferts mémoire-périphérique. Le canal 0 était utilisé pour le rafraichissement mémoire, plus que pour des transferts de données. ====Les deux 8237 des bus ISA==== Le bus ISA utilise des 8237 pour gérer les transferts DMA. Les registres de pseudo-banques sont élargis pour adresser 16 mébioctets (page sur 8 bits), mais la limitation des pseudo-banques de 64 Kibioctets est encore présente. Les PC avec un bus ISA géraient 7 canaux DMA, qui étaient gérés par deux contrôleurs 8237 mis en cascade. La mise en cascade des deux 8237 se fait en réservant le canal 0 du 8237 maître pour gérer le 8237 esclave. Le canal 0 du maitre n'est plus systématiquement utilisé pour le rafraichissement mémoire, cela libère la possibilité de faire des transferts mémoire-mémoire. Voici l'utilisation normale des 7 canaux DMA : Premier 8237 (esclave) : * Rafraichissement mémoire ; * Hardware utilisateur, typiquement une carte son ; * Lecteur de disquette ; * Disque dur, port parallèle, autres ; Second 8237 (maitre) : * Utilisé pour mise en cascade ; * Disque dur (PS/2), hardware utilisateur ; * Hardware utilisateur ; * Hardware utilisateur. Le bus ISA est un bus de données de 16 bits, alors que le 8237 est un composant 8 bits, ce qui est censé poser un problème. Mais le bus ISA utilisait des transferts spéciaux, où le contrôleur DMA n'était pas utilisé comme intermédiaire. En temps normal, le contrôleur DMA lit le mot mémoire à copier et le mémorise dans un registre interne, puis adresse l'adresse de destination et connecte ce registre au bus de données. Mais avec le bus ISA, le périphérique est connecté directement au bus mémoire et ne passe pas par le contrôleur DMA : la copie est directe, le contrôleur DMA s'occupe juste du bus d'adresse et n'accède pas au bus de données lors des transferts. ===L'usage du DMA pour les transferts mémoire-mémoire=== Le DMA peut être utilisé pour faire des copies dans la mémoire, avec des transferts mémoire-mémoire. Les performances sont correctes tant que le contrôleur DMA est assez rapide, sans compter que cela libère le processeur du transfert. Le processeur peut faire autre chose en attendant, tant qu'il n'accède pas à la mémoire, par exemple en manipulant des données dans ses registres ou dans son cache. La seule limitation est que les blocs à copier ne doivent pas se recouvrir, sans quoi il peut y avoir des problèmes, mais ce n'est pas forcément du ressort du contrôleur DMA. Un exemple de ce type est celui du processeur CELL de la Playstation 2. Le processeur était en réalité un processeur multicœur, qui regroupait plusieurs processeurs sur une même puce. Il regroupait un processeur principal et plusieurs coprocesseurs auxiliaires, le premier étant appelé PPE et les autres SPE. Le processeur principal était un processeur PowerPC, les autres étaient des processeurs en virgule flottante au jeu d'instruction beaucoup plus limité (ils ne géraient que des calculs en virgule flottante). Le processeur principal avait accès à la mémoire RAM, mais les autres non. Les processeurs auxiliaires disposaient chacun d'un ''local store'' dédié, qui est une petite mémoire RAM qui remplace la mémoire cache, et ils ne pouvaient accéder qu'à ce ''local store'', rien d'autre. Les transferts entre PPE et SPE se faisaient via des transferts DMA, qui faisaient des copies de la mémoire RAM principale vers les ''local stores''. Chaque SPE incorporait son propre contrôleur DMA. [[File:Schema Cell.png|centre|vignette|upright=2|Schema du processeur Cell]] ===DMA et cohérence des caches CPU=== Les transferts DMA se font entre la RAM et un périphérique, et les deux sens de transfert sont possibles. Certains périphériques se contentent d'un seul sens de transfert. Par exemple, pour une carte son, les transferts se font de la RAM vers la carte son, l'autre sens se résume à des interruptions. Le transfert DMA envoie les données sonores vers la carte son qui se charge d'envoyer le tout sur les hauts-parleurs ou un casque. Mais d'autres périphériques font des transferts dans l'autre sens, du périphérique vers la RAM. Pensez à une carte réseau : les téléchargements impliquent que les données reçues par la carte réseau sont copiées en RAM, alors que c'est l'inverse pour l'''upload''. Et les transferts DMA dans le sens périphériques -> RAM posent un problème sur les architectures avec une mémoire cache. De tels transferts peuvent modifier des adresses qui sont mises en cache. Or, les changements dans la RAM ne sont pas automatiquement propagés au cache. Le cache contient alors une copie de la donnée obsolète, qui ne correspond plus au contenu écrit dans la RAM par le contrôleur DMA. [[File:Cache incoherence write.svg|centre|vignette|upright=2|Cohérence des caches avec DMA.]] Pour résoudre ce problème, la solution la plus simple interdit de charger dans le cache des données stockées dans les zones de la mémoire attribuées aux transferts DMA, qui peuvent être modifiées par des périphériques ou des contrôleurs DMA. Toute lecture ou écriture dans ces zones de mémoire ira donc directement dans la mémoire RAM, sans passer par la ou les mémoires caches. L'interdiction est assez facile à mettre en place, vu que le processeur est en charge de la mise en place du DMA. Mais sur les systèmes multicœurs ou multi-processeurs, les choses sont plus compliquées, comme on le verra dans quelques chapitres. Une autre solution est d'invalider le contenu des caches lors d'un transfert DMA. Par invalider, on veut dire que les caches sont remis à zéro, leurs données sont effacées. Cela force le processeur à aller récupérer les données valides en mémoire RAM. L'invalidation des caches est cependant assez couteuse, comme nous le verrons dans le chapitre sur les caches. Elle est plus performante si les accès à la zone de mémoire sont rares, ce qui permet de profiter du cache 90 à 99% du temps, en perdant en performance dans les accès restants. Différentes technologies matérielles ont été inventées pour éliminer le problème à la source. L'une d'entre elles était la technologie ''Data Direct I/O'' d'Intel. Elle permettait à un périphérique d'écrire directement dans le cache du processeur, sans passer par la mémoire. Si elle résout le problème de la cohérence des caches, son but premier était d'améliorer les performances des communications réseaux, lorsqu'une carte réseau veut écrire quelque chose en mémoire. Au lieu d'écrire le message réseau en mémoire, avant de le charger dans le cache, l'idée était de passer outre la RAM et d'écrire directement dans le cache. Cette technologie était activée par défaut sur les plateformes Intel Xeon processor E5 et Intel Xeon processor E7 v2. ===La cohérence des caches périphériques=== Un problème similaire au précédent se manifeste sur les périphériques qui incorporent une mémoire cache. Nous parlons ici de périphériques qui n'ont pas de mémoire RAM interne, et dont le cache contient des copies de données présentes en RAM système, en RAM principale. Nous appellerons de tels caches des '''caches périphériques''', sous entendu intégrés à un périphérique. Il est important de préciser que de tels caches peuvent maintenir des copies de données en RAM système. Les caches ne pouvant pas contenir de données provenant de la RAM système ne sont pas concernés par ce qui suit, ce sont des caches purement internes au périphérique. [[File:Cache périphérique.png|centre|vignette|upright=2|Cache périphérique]] Certaines cartes réseaux incorporent de tels caches, pour améliorer les performances lors des transferts réseaux. Le cache périphérique permet alors soit précharger les données à uploader depuis la RAM, soit en accumulant les données téléchargées avant de tout envoyer d'un seul bloc dans la RAM. Mais précisons que seules les cartes réseaux de haute performance, destinées aux serveurs et ''mainframes'', intègrent des caches périphériques. Les cartes réseaux des PC n'ont pas de cache périphériques de ce type, elles se contentent de mémoire tampon de type FIFO qui ne sont pas des caches. Avec de tels périphériques, il arrive que le processeur modifie des données en RAM, alors qu'une copie est dans le cache périphérique. Il faut alors que l'écriture en RAM soit propagée dans le cache périphérique. Et cela demande là encore d'utiliser des mécanismes de cohérence des caches. La solution la plus simple est d'invalider le cache périphérique avant un transfert DMA, ou avant toute écriture en mémoire RAM qui peut poser problème. Typiquement, c'est le pilote du périphérique qui s'en occupe. Il réserve quelques portions de RAM pour communiquer avec le périphérique, et toute écriture dedans entrainera une invalidation. Le périphérique doit gérer nativement des commandes d'invalidation, qui ordonnent au périphérique d’invalider son cache périphérique. Le pilote du périphérique envoie ces commandes quand la situation l'exige. La technologie CXL (''Compute Express Link'') permet d'aller plus loin, en ajoutant un protocole de cohérence des caches au PCI Express. Le protocole CXL est une surcouche au PCI Express, qui est gérée par le processeur. Plus précisément, CXL réutilise la couche physique du protocole, mais change les couches transport et liaison. Concrètement, cela signifie que les interconnexions série du PCI Express sont réutilisables telles quelles par CXL, ce qui est l'idéal niveau compatibilité matérielle. Elle réutilise des mécanismes de cohérence des caches utilisés sur les processeurs multicœurs, qui seront décrits dans un chapitre ultérieur (un protocole de type MESI, pour rentrer dans les détails). L'intérêt est que les caches ne sont pas invalidés à chaque écriture problématique, la donnée adéquate est simplement mise à jour. De plus, la mise à jour et la détection des écritures fautives ne fait pas intervenir le pilote de périphérique, tout est géré par le processeur lui-même. Mais CXL va au-delà de la simple cohérence des caches périphériques. Il permet aussi au processeur d'adresser de la mémoire RAM installée sur un périphérique, à travers une liaison PCI Express. Toujours est-il que CXL est un regroupement de trois protocoles distincts, nommés CXL.io, CXL.cache, et CXL.memory. CXL.io gère des transferts DMA, la mémoire virtuelle du périphérique, les interruptions, la découverte des périphériques CXL, leur configuration, la gestion des erreurs, etc. CXL.cache gère la cohérence des caches périphériques, il permet à un périphérique d’accéder et de cacher la RAM système. Enfin, CLX.mem permet au processeur d'adresser la mémoire RAM du périphérique. Il faut noter que chaque périphérique implémente CXL a sa sauce. Il doit au minimum implémenter CXL.io, mais fait ce qu'il veut pour CXL.cache et CXL.mem. Et cela permet de classer les périphériques CXL en trois types. * Le type 1 correspond aux périphériques sans RAM intégrée, avec un cache périphérique. Ils peuvent se passer de CXL.mem, mais pas de CXL.cache. * Le type 2 correspond aux GPU et autres cartes accélératrices, qui ont une RAM intégrée qui gagne à être adressée directement par le processeur. Dans ce cas, il faut implémenter CXL.io, CXL.cache, et CXL.memory. * Le type 3 correspond à des ''RAM drive'', des systèmes permettant d’ajouter de la RAM à l'ordinateur sans ajouter de RAM système. La RAM ajoutée est placée sur un périphérique PCI Express, mais sert de complément à la RAM principale. l'idée est que les données sont déplacées entre RAM système et RAM du périphérique selon les besoins, la RAM du périphérique servant de second ''swapfile'' de la mémoire virtuelle. La cohérence des caches n'est alors pas nécessaire, CXL.cache n'est pas utilsié, alors que CXL.mem l'est. ===L'interaction entre DMA et mémoire virtuelle : l'IO-MMU=== Le contrôleur DMA est initialisé par le processeur avec des adresses de départ. Mais que se passe-t-il si le processeur utilise la mémoire virtuelle, l'abstraction mémoire ? Dans ce cas, le processeur initialise le contrôleur DMA avec des adresses virtuelles, ce qui pose problème. Pour éviter cela, les contrôleurs DMA modernes incrémentent des adresses virtuelles nativement, mais les traduisent en adresse physique avant tout accès à la RAM. En clair, les contrôleurs DMA incorporent une '''IO-MMU''', un circuit qui traduit les adresses virtuelles en adresses physiques. Elle est similaire à la MMU du processeur, si ce n'est qu'elle est intégrée dans le contrôleur DMA. La IO-MMU est intégrée dans le contrôleur DMA, qui peut être dans le ''chipset'' de la carte mère ou dans un périphérique. Si elle est dans le ''chipset'', elle est partagée entre plusieurs périphériques. Mais il n'est pas rare que la IO-MMU soit intégré dans un périphérique. L'exemple type est celui des cartes graphiques AGP et PCI-Express, qui utilisaient une IO-MMU standardisée, appelée la ''Graphics address remapping table''. La première carte graphique NVIDIA, la NV1, utilisait un système similaire, comme illustré ci-dessous. [[File:Microarchitecture du GPU NV1 de NVIDIA.png|centre|vignette|upright=2|Microarchitecture de la carte graphique NV1 de NVIDIA]] Évidemment, la IO-MMU a sa propre table des pages, qui est gérée par le pilote de périphérique, qu'on nommera '''table des pages IO'''. La IO-MMU intègre aussi des ''page table walkers'', des TLBs et toutes les optimisations associées. La table des pages de l'IO-MMU est séparée des autres tables des pages, bien que certaines optimisations permettent de fusionner les deux. Placer la table des pages IO en mémoire RAM fonctionne très bien pour les contrôleurs DMA intégré au ''chipset'' de la carte mère, voire ceux dans le processeur lui-même. Mais les périphériques qui incorporent un contrôleur DMA font autrement. Avec une table des pages IO en RAM, le périphérique devrait y accéder à travers le bus. Par exemple, une carte graphique devrait passer par le bus PCI-Express à chaque accès à la table des pages IO. Les performances seraient catastrophiques, même si on peut limiter la casse avec une TLB de grande taille. En pratique, le périphérique incorpore de la mémoire RAM et met la table des pages IO dedans. Par exemple, les cartes graphiques incorporent une mémoire vidéo de grande taille, dont elles peuvent réserver une petite partie pour la table des pages. La carte graphique NV1 de NVIDIA faisait autrement : elle mettait la table des pages dans une mémoire dédiée. [[File:IO-MMU et table des pages sur périphérique avec RAM locale.png|centre|vignette|upright=2|IO-MMU et table des pages sur périphérique avec RAM locale]] L'usage de l'IO-MMU permet de passer outre les limitations d'adressage du contrôleur DMA. Le contrôleur DMA peut gérer des adresses virtuelles très courtes, qui sont traduites en adresses physiques longues. Il s'agit d'un cas particulier d'extension d'espace d'adressage, qui porte le nom de '''''DMA Remapping'''''. Le résultat est que l'on peut se passer de tampons DMA, des ''bounce buffer''. Les données à envoyer au périphérique peuvent être placées n'importe où en mémoire physique, le contrôleur DMA utilisera des adresses physiques assez longues pour les adresser. Un autre avantage est que l'on peut communiquer avec un périphérique DMA sans avoir à allouer des blocs de mémoire contiguë. Avec la pagination, un bloc de mémoire transféré via DMA peut être éclaté sur plusieurs pages séparées et dispersées en mémoire RAM. Le bloc de mémoire est contigu dans l'espace d'adressage, mais éclaté en mémoire physique. Un autre avantage est la protection mémoire. Avec une IO-MMU adéquate, les échanges entre processeur et périphérique sont sécurisés. La mémoire virtuelle des périphériques incorpore des mécanismes de protection mémoire. Grâce à eux, le périphérique ne peut pas accéder à des régions de la mémoire auquel le pilote de périphérique ne lui a pas donné accès. Une erreur de configuration ou de programmation ne permet pas au périphérique d'accéder à des régions mémoire protégées, qui ne lui sont pas allouées. Des tentatives de hacking basée sur des attaques DMA ne marchent plus avec ce type de mémoire virtuelle. Un dernier avantage de l'IO-MMU se manifeste sur les périphériques qui incorporent de la mémoire RAM. Un bon exemple est celui des cartes graphiques dédiées, qui incorporent actuellement plusieurs gibi-octets de mémoire vidéo. Pour éviter toute confusion, nous allons parler de '''mémoire locale''' pour la RAM dans le périphérique, de '''mémoire système''' pour la RAM de l'ordinateur. L'IO-MMU permet d'adresser plus de RAM qu'il n'y a de RAM locale, le surplus d'adresse étant pris dans la RAM système. C'est un peu l'équivalent de la mémoire virtuelle, sauf qu'au lieu d'utiliser un fichier ''pagefile'' sur le disque dur, on utilise de la RAM système. Par exemple, si on prend une carte graphique avec 6 gigas de RAM dédiée, elle pourra gérer jusqu'à 8 gigas de RAM : les 6 en mémoire vidéo, plus 2 gigas fictifs en mémoire système. [[File:Mémoire virtuelle des cartes graphiques dédiées.png|centre|vignette|upright=2|Mémoire virtuelle des cartes graphiques dédiées]] ==Le ''chipset'' de la carte mère== Pour résumer ce chapitre, la communication avec les périphériques demande beaucoup de composants matériels. Dans le cas le plus simple où on n'a qu'une seul périphérique, il suffit de rajouter un contrôleur de périphérique entre le périphérique et le processeur. Il y a éventuellement besoin d'ajouter une entrée d'interruption sur le processeur pour. Mais dès que le processeur doit gérer plusieurs périphériques, les choses deviennent tout de suite plus complexes. Il faut rajouter un contrôleur d'interruption, éventuellement un contrôleur DMA, pour que les performances soient dignes de ce nom. Un ordinateur contient plusieurs contrôleurs de périphériques, c'est la norme de nos jours et l'est depuis déjà plusieurs décennies. Par exemple, un ordinateur de type PC assez ancien avait un contrôleur de périphérique pour le clavier, un autre pour la souris, un autre pour le port parallèle, un autre pour le port série et quelques autres. Par la suite, d'autres contrôleurs se sont greffés aux précédents : un pour l'USB, un intégré à la carte vidéo, un intégré à la carte son, et ainsi de suite. Concrètement, n'importe quel ordinateur récent contient plusieurs dizaines, si ce n'est des centaines, de contrôleurs de périphériques. Auparavant, le contrôleur d'interruption et le contrôleur DMA étaient des circuits intégrés séparés, chacun ayant son propre boitier. Ils étaient soudés sur la carte mère et étaient relativement indépendants. Mais de nos jours, tout est intégré dans un circuit unique, appelé le ''chipset'' de la carte mère, et plus précisément le ''southbridge''. Ce dernier intègre un contrôleur DMA et les contrôleurs d'interruption, ainsi que de nombreux contrôleurs de périphériques. Par exemple, les contrôleurs USB sont directement intégrés dans le ''chipset'', les contrôleurs S-ATA. Le contenu du ''chipset'' dépend fortement de la carte mère. [[File:Chipset et contrôleurs de périphériques.png|centre|vignette|upright=2|Chipset et contrôleurs de périphériques]] ===Les ''chipsets'' sont des regroupements de circuits très divers=== Le regroupement de nombreux circuits dans un ''chipset'' a de nombreux avantages. Déjà, cette technique permet de profiter des techniques avancées de miniaturisation et l'intégration. Les anciens ordinateurs devaient souder une dizaine de contrôleurs de périphériques différents sur la carte mère, ce qui avait un coût en termes de branchements, de coût de production et autres. Mais la miniaturisation a permis de regrouper le tout dans un seul boîtier. Donc au lieu d'avoir plusieurs circuits séparés sur la carte mère, on fusionne tout ce qui a trait aux bus/périphériques dans le ''chipset''. De nombreux contrôleurs de périphériques se retrouvent dans le ''chipset'', comme des contrôleurs USB, Ethernet, et autres. Et l’intégration va plus loin que simplement gérer les périphériques et les bus courants. Les ''chipsets'' incorporent souvent les contrôleurs d'interruptions 8259 dans leurs circuits, ou les émulent avec des circuits équivalents. Idem avec les contrôleurs DMA. Mais au-delà de ça, la miniaturisation fait que les ''chipsets'' tendent à intégrer de plus en plus de fonctionnalités, qui n'ont rien à voir avec les périphériques proprement dit. Par exemple, ils intègrent souvent des ''timers'', les fameux compteurs utilisés pour compter des durées. Des composants autrefois soudés sur la carte mère, comme la CMOS RAM ou la ''Real Time Clock'' peuvent parfois être intégrés aux ''chipset''. Et il intègre souvent le microcontrôleur de surveillance matérielle, qui surveille les températures et tensions, pour contrôler les ventilateurs et les régulateurs de voltage. Dire ce que fait un ''chipset'' est donc compliqué, car ses fonctions sont multiples. Le résumer en un simple regroupement de circuits aux fonctions disparates est de loin la meilleure définition possible. Comme le disent si bien les anglais : "A chipset is a set of chips". ===Les ''chipsets'' servent de répartiteur entre CPU/RAM/IO=== L'usage d'un ''chipset'' a un autre avantage, qui est de simplifier les interconnexions entre CPU, RAM, IO et périphériques. Sans ''chipset'', il faut prévoir soit un bus de communication unique, soit un ensemble de liaisons point à point, soit un système complexe utilisant plusieurs bus distincts. Mais avec un ''chipset'', les interconnexions sont centralisées. Le processeur, la mémoire, et les autres bus sont tous connectés au ''chipset'', qui sert de point de relai entre les différents composants. Il n'y a pas besoin d'utiliser un grand nombre de bus dédiés ou de liaisons point à point pour gérer tout ce beau monde. Les interconnexions sont beaucoup plus simples et relier les différents composants est facile. [[File:IO mappées en mémoire avec séparation des bus.png|centre|vignette|upright=2|IO mappées en mémoire avec séparation des bus, usage d'un répartiteur]] Du moins, c'était l'implémentation courante avant les années 2000. Mais nous avions vu dans la partie sur les bus, précisément dans le chapitre sur la carte mère, que le ''chipset'' de la carte mère a beaucoup évolué dans le temps. D'abord avec une séparation en ''northbridge'' et ''southbridge'', puis avec une intégration de plus en plus poussée du ''chipset'' dans le processeur lui-même. Faisons quelques rappels rapides, mâtinés de quelques compléments. [[File:Chipset schematic.svg|vignette|upright=1.0|Chipset séparé en northbridge et southbridge.]] Dans les années 2000, les ''chipsets'' monolithiques ont laissé à la place à des ''chipsets'' séparés en deux circuits intégrés distincts, appelés ''northbridge'' et ''southbridge''. Le premier était relié au processeur, à la RAM et à la carte graphique, des composants rapides, qui demandaient des bus à haute fréquence. Il contenait typiquement un contrôleur mémoire, le contrôleur AGP/PCI-Express et d'autres circuits. Le ''southbridge'' était relié à des composants lents et fonctionnait à plus basse fréquence. Il contenait tout ce qui n'était pas intégré au ''northbridge''. Par la suite, le contrôleur mémoire a quitté le ''northbridge'' pour être intégré au processeur, puis les contrôleurs PCI-Express ont suivi, suivi par d'autres contrôleurs. Le ''northbridge'' est donc passé dans le processeur, mais le ''southbridge'' est resté. Le ''southbridge'' et le ''chipset'' sont deux concepts identiques de nos jours, et il n'est pas exagéré de dire que le ''chipset'' est surtout spécialisé dans la gestion des périphériques/IO et des ''timers'', entre autres fonctions importantes. ===L'historique simplifié des ''chipsets'' des PC x86=== Les premiers PC utilisaient un bus système unique, sur lequel tout était connecté : le processeur, la RAM, la ROM, et les entrées-sorties. Le bus en question s'appelait le '''bus ISA''', ISA étant l'abréviation de ''Industry Standard Architecture''. Et le moins qu'on puisse dire est qu'il y avait beaucoup d'entrées-sorties connectées sur ce bus ISA. Déjà, il y a les connecteurs pour les cartes d'extension ISA. Mais il y aussi un paquet de composants soudés sur la carte mère. Déjà, il y avait un contrôleur d'interruptions 8259 et un contrôleur DMA 8237, les mêmes que ceux vu au début du chapitre. Et il faut ajouter des contrôleurs de périphériques avec notamment le contrôleur de clavier XT, mais aussi l''''Intel 82091AA''', qui était connecté au lecteur de disquette, au port série et au port parallèle (deux connecteurs présents à l'arrière des vieux PC). Mais au-delà de ça, de nombreux composants présents sur la carte mère étaient connectés sur ce bus ISA. La liste suivante, non-exhaustive, contient les composants principaux : * un contrôleur mémoire pour DRAM ; * le contrôleur de bus 8288 ; * un contrôleur d'interface parallèle 8255 ; * un générateur d'horloge 8284 ; * une ''Real Time Clock'' pour gérer la date et l'heure ; * et le ''Programmable Interval Timer'' (le fameux 8254 qu'on a vu dans le chapitre sur les ''timers''). [[File:Architecture de l'IBM PC compatible.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible]] Undes premier ''chipset'' inventé pour les processeurs x86 a été le 82C100. Il était prévu pour fonctionner avec un processeur Intel x86, un 286 pour être précis. Il combine le contrôleur de clavier avec les composants de la liste précédentes, à l'exception de la ''Real Time Clock''. Son successeur est le 82C206 ''Integrated Peripheral Controller'' (IPC). Les différences avec le précédent sont mineures. La ''Real Time Clock'' et la CMOS RAM sont maintenant intégré dans le ''chipset''. Le contrôleur DMA et le contrôleur d'interruption sont doublés : il y en a deux exemplaires. Par contre, le contrôleurs de clavier et d'interface parallèle 8255 disparaissent. Les deux ''chipsets'' ont été développés par l'entreprise Chips and Technologies. Ils étaient composés de quatre à cinq circuits intégrés distincts, donc 4 boitiers. Sur l'image suivante, vous pouvez voir les quatre ''chips'' sur la carte mère. Ils sont reconnaissables par leur forme carrée, et surtout par le logo de l'entreprise avec un "Chips" assez reconnaissable. [[File:Chicony CH-286N-16.jpg|centre|vignette|upright=2|Carte mère avec un ''chipset'' 82C100.]] Par la suite, le bus ISA est devenu trop lent pour le processeur. Il a alors été relégué comme bus secondaire. Le bus ISA était connecté au bus système principal par un '''pont ISA''', ''ISA Bridge'' en anglais. Le pont ISA intégrait les composants mentionnés plus haut, à savoir le contrôleur d'interruption, le contrôleur DMA, les ''timers'' Intel 8254, et parfois quelques autres composants. Il y a eu plusieurs pont ISA, conçus par des entreprises différentes, qui différaient dans leurs fonctionnalités. Mais formellement, les pont ISA étaient des ''chipsets''. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA.png|centre|vignette|upright=2.5|Architecture de l'IBM PC compatible avec bridge ISA]] Par la suite, le bus ISA a progressivement été remplacé par le bus PCI. Là encore, le bus PCI était lent comparé au processeur, ce qui fait qu'il y avait un pont PCI qui faisait le lien entre le bus PCI et le reste de l’ordinateur. La différence avec le pont ISA est que le pont PCI sert en réalité de répartiteur. Il était connecté au processeur, à la mémoire RAM et à la mémoire cache (qui était séparé du processeur et placé sur la carte mère), au bus PCI et au bus IDE pour le disque dur. Un détail est que le bus ISA a malgré tout été conservé, aux côtés du bus PCI, pour des raisons de compatibilité. Pour gérer le bus ISA, le pont PCI était aussi relié au pont ISA. La carte mère avait donc deux ''chipsets'' : un pont PCI et un pont ISA. Le pont PCI était utilisé pour les périphériques rapides, comme les cartes graphiques ou les cartes sons, alors que le pont ISA était utilisé pour les périphériques lents et anciens. [[File:Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI.png|centre|vignette|upright=2|Architecture de l'IBM PC compatible avec pont PCI]] Le pont PCI intégrait des contrôleurs de périphériques, notamment un contrôleur pour le bus PCI et un autre pour les disques durs IDE-ATA. Il avait aussi une interface vers le pont ISA. Il contenait aussi des interfaces mémoires, notamment un contrôleur mémoire relié à la mémoire RAM de l'ordinateur, ainsi qu'une interface avec la mémoire cache (qui était séparé du processeur et placé sur la carte mère). Enfin, il intégrait aussi des ''timers'' et des circuits multiplieurs d'horloge. [[File:Intel486 System Controller.png|centre|vignette|upright=2|Intel 486 System Controller.]] Par la suite, les ponts PCI et ISA ont évolué avec l'évolution des bus de l'ordinateur. Le bus ISA a progressivement été remplacé par d'autres bus, comme le bus ''Low Pin Count''. Le bus PCI a été complété par le bus AGP, puis le PCI Express a totalement remplacé AGP et PCI. D'autres bus ont été ajoutés, aussi. Mais la séparation du ''chipset'' en deux a été conservée. [[File:Chipset schematic.svg|vignette|upright=1.0|Chipset séparé en northbridge et southbridge.]] Le pont PCI et le pont ISA ont été remplacés par deux ''chipsets'' équivalents, nommés le '''pont nord''' et le '''pont sud''', plus connus par leurs noms anglais de ''northbridge'' et de ''southbridge''. Le pont nord servait d'interface entre le processeur, la mémoire et la carte graphique et est connecté à chacun par un bus dédié. Il intégrait aussi le contrôleur mémoire. Le pont sud est le répartiteur pour les composants lents, à savoir le PCI, mais aussi l'USB, l'Ethernet, etc. Le bus qui relie le processeur au pont nord était appelé le '''''Front Side Bus''''', abrévié en FSB. Un point important est que le bus PCI est devenu un bus assez lent, ce qui fait qu'il a finit par être connecté au pont sud. Le pont PCI est donc devenu le pont sud, dans le courant des années 2000. Durant un moment, un équivalent du pont ISA a subsisté dans un circuit de '''''Super IO'''''. Concrètement, il s'occupait du lecteur de disquette, du port parallèle, du port série, et des ports PS/2 pour le clavier et la souris. Mais il ne gérait pas le bus ISA, mais son remplacant, le bus ''Low Pin Count''. : Des circuits de ''Super IO'' sont parfois fusionnés avec l'''Embedded controler'' de la carte mère. Cer qui fait qu'ils incorporent aussi des capteurs de température, les circuits qui contrôlent la vitesse des ventilateurs, divers ''timers'', et quelques autres. [[File:Motherboard diagram.svg|centre|vignette|upright=1.5|Carte mère avec circuit Super IO.]] Pour résumer, les premiers ''chipsets'' incorporaient déjà beaucoup de fonctions différentes, comme les ''chipset'' modernes. Ils regroupaient déjà ensemble tout ce qui a trait aux périphériques : un contrôleur DMA, un contrôleur d'interruption et plusieurs contrôleurs de périphériques (clavier, bus parallèle). De telles fonctions sont le rôle du ''southbridges'' dans les ''chipsets'' modernes. Ils incorporaient aussi des fonctions qui étaient quelques décennies plus tard intégrées dans le ''northbridge'' : le contrôleur mémoire et de bus CPU 8288. L'incorporation du générateur d'horloge, de ''timers'', et de la RTC/CMOS RAM est aussi chose commune dans les ''chipset'' modernes. Les ''chipsets'' modernes incorporent aussi un circuit de surveillance matérielle pour vérifier les températures et tension, actionner les ventilateurs, éteindre l'ordinateur en cas de surchauffe, etc. <noinclude> {{NavChapitre | book=Fonctionnement d'un ordinateur | prev=L'abstraction mémoire et la mémoire virtuelle | prevText=L'abstraction mémoire et la mémoire virtuelle | next=L'adressage des périphériques | nextText=L'adressage des périphériques }} </noinclude> q393mn3luu8e9sizagmapnlfae0wvsx 0 83766 762420 2026-03-28T12:11:01Z Xhungab 23827 news 762420 wikitext text/x-wiki __NOTOC__ [[Catégorie:Mathc initiation (livre)]] [[Mathc initiation/Fichiers h : c44a4| Sommaire]] <syntaxhighlight lang="C"> Petite introduction sur les champs de vecteurs: Nous aurons : * Des champs de vecteurs 2D. ex: F(x,y) = P(x,y) i + Q(x,y) j * Des champs de vecteurs 3D. ex: F(x,y,z) = P(x,y,z) i + Q(x,y,z) j + R(x,y,z) k En calcul vectoriel, un champ vectoriel conservatif (F) est un champ vectoriel, qui est le gradient d'une fonction (f). . grad(F) = f exemple : F(x,y,z) = P(x,y,z) i + Q(x,y,z) j + R(x,y,z) k F(x,y,z) = f_x i + f_y j + f_z k Si on nous donne un champ vectoriel conservatif, il va falloir retrouver la fonction (f) qui est une fonction scalaire et donne le potentiel du champ vectoriel au point (x,y,z). Nous devrons résoudre ces trois équations différentielles: * f_x = P(x,y,z) f = int[P(x,y,z)] dx + C(y,z) * f_y = Q(x,y,z) ... * f_z = R(x,y,z) Remarque: * Une condition nécessaire pour qu'un champ de vecteurs 2D soit conservatif est: P_y = Q_x * Une condition nécessaire pour qu'un champ de vecteurs 3D soit conservatif est: P_y = Q_x P_z = R_x Q_z = R_y </syntaxhighlight> {{AutoCat}} lv8vese6os1dcv04xpuomyju4jx9375 762465 762420 2026-03-29T10:34:43Z Xhungab 23827 762465 wikitext text/x-wiki __NOTOC__ [[Catégorie:Mathc initiation (livre)]] [[Mathc initiation/Fichiers h : c44a4| Sommaire]] <syntaxhighlight lang="C"> Petite introduction sur les champs de vecteurs: Nous aurons : * Des champs de vecteurs 2D. ex: F(x,y) = P(x,y) i + Q(x,y) j * Des champs de vecteurs 3D. ex: F(x,y,z) = P(x,y,z) i + Q(x,y,z) j + R(x,y,z) k En calcul vectoriel, un champ vectoriel conservatif (F) est un champ vectoriel, qui est le gradient d'une fonction (f). . grad(F) = f exemple : F(x,y,z) = P(x,y,z) i + Q(x,y,z) j + R(x,y,z) k F(x,y,z) = f_x i + f_y j + f_z k Si on nous donne un champ vectoriel conservatif, il va falloir retrouver la fonction (f) qui est une fonction scalaire et donne le potentiel du champ vectoriel au point (x,y,z). Nous devrons résoudre ces trois équations différentielles: * f_x = P(x,y,z) f = int[P(x,y,z)] dx + C(y,z) * f_y = Q(x,y,z) [int[P(x,y,z)] dx + C(y,z)]_y = Q(x,y,z) * f_z = R(x,y,z) ... Remarque: * Une condition nécessaire pour qu'un champ de vecteurs 2D soit conservatif est: P_y = Q_x * Une condition nécessaire pour qu'un champ de vecteurs 3D soit conservatif est: P_y = Q_x P_z = R_x Q_z = R_y </syntaxhighlight> {{AutoCat}} izc3wght8gkzwy804hxlp0jloeosq6w 0 83767 762467 2026-03-29T10:51:16Z Xhungab 23827 news 762467 wikitext text/x-wiki __NOTOC__ [[Catégorie:Mathc initiation (livre)]] [[Mathc initiation/Fichiers h : c44a4| Sommaire]] [[File:Line integral of scalar field.gif|Line integral of scalar field]] Petite introduction sur les intégrales curvilignes : * Nous pouvons observer sur l'animation une courbe dans un espace 3D. * Une fonction est appliquée sur cette courbe. * Parfois elle apparaît au-dessus de la courbe et parfois en dessous. * Si on étire cette courbe sur une droite on peut constater que l'on se retrouve sur une intégrale simple à une variable. * Pour passer d'une fonction en x, y, z, en une fonction à une seule variable on va utiliser la paramétrisation : ** x = g(t); y = h(t); z = k(t); a < t =< b * Nous allons remplacer le dx, qui travaille sur une droite, pour l'intégrale simple par un ds qui permet de travailler sur la longueur d'une courbe. ** ds = qrt[ g(t)'**2 + h(t)'**2+ k(t)'**2 ] dt Remarque : * Il peut exister plusieurs paramétrisations possibles. * Elles doivent toutes donner le même résultat. * La difficulté va être de trouver la plus facile à étudier. * Si l'on n'introduit pas la fonction f dans l'intégrale, cela permet de calculer la longueur de la courbe. * Si la fonction f est toujours au-dessus de la courbe, et qu'elle correspond à la densité, cela permet de calculer la masse de la courbe. * Si la fonction f est la force effectuée sur la courbe par un flux sur une particule cela nous permet de calculer le travail effectué. {{AutoCat}} tjm1nn6twkod7tqd8klqwx886z0ya2n 762468 762467 2026-03-29T10:59:24Z Xhungab 23827 762468 wikitext text/x-wiki __NOTOC__ [[Catégorie:Mathc initiation (livre)]] [[Mathc initiation/Fichiers h : c44a4| Sommaire]] [[File:Line integral of scalar field.gif|Line integral of scalar field]] De [https://commons.wikimedia.org/wiki/User:LucasVB LucasVB] Petite introduction sur les intégrales curvilignes : * Nous pouvons observer sur l'animation une courbe dans un espace 3D. * Une fonction est appliquée sur cette courbe. * Parfois elle apparaît au-dessus de la courbe et parfois en dessous. * Si on étire cette courbe sur une droite on peut constater que l'on se retrouve sur une intégrale simple à une variable. * Pour passer d'une fonction en x, y, z, en une fonction à une seule variable on va utiliser la paramétrisation : ** x = g(t); y = h(t); z = k(t); a < t =< b * Nous allons remplacer le dx, qui travaille sur une droite, pour l'intégrale simple par un ds qui permet de travailler sur la longueur d'une courbe. ** ds = qrt[ g(t)'**2 + h(t)'**2+ k(t)'**2 ] dt Remarque : * Il peut exister plusieurs paramétrisations possibles. * Elles doivent toutes donner le même résultat. * La difficulté va être de trouver la plus facile à étudier. * Si l'on n'introduit pas la fonction f dans l'intégrale, cela permet de calculer la longueur de la courbe. * Si la fonction f est toujours au-dessus de la courbe, et qu'elle correspond à la densité, cela permet de calculer la masse de la courbe. * Si la fonction f est la force effectuée sur la courbe par un flux sur une particule cela nous permet de calculer le travail effectué. {{AutoCat}} rvo932ft0572u4hp13e422luts925xj