Architecture des ordinateurs

Qu'est-ce qu'une machine ?

Un ordinateur, c'est avant tout un ensemble de composants électroniques qui travaillent ensemble. Mais comment ? Qui fait quoi ? Comment les informations circulent-elles ?

Pour répondre à ces questions, les informaticiens utilisent un modèle, c'est-à-dire une représentation simplifiée de la réalité. Le modèle le plus célèbre est celui proposé par John von Neumann en 1945.

Le modèle de Von Neumann

L'idée fondamentale

Avant Von Neumann, les machines étaient câblées pour effectuer une tâche précise. Changer de tâche signifiait recâbler physiquement la machine. C'était long, coûteux, et peu pratique.

Von Neumann propose une idée révolutionnaire : et si on stockait le programme en mémoire, au même endroit que les données ? La machine pourrait alors exécuter n'importe quel programme, juste en changeant ce qu'elle lit en mémoire.

C'est le principe de l'ordinateur à programme enregistré, et c'est encore le principe de tous les ordinateurs modernes.

Les 4 composants

Le modèle de Von Neumann décompose l'ordinateur en 4 éléments :

Von Neumann

1. Le processeur (CPU)

C'est le cerveau de l'ordinateur. Il lit les instructions du programme et les exécute. Il se divise lui-même en deux parties :

  • L'Unité de Contrôle (UC) : elle lit les instructions en mémoire et coordonne le travail des autres composants. C'est elle qui décide "quelle est la prochaine instruction à exécuter ?"
  • L'Unité Arithmétique et Logique (UAL) : elle effectue tous les calculs (additions, soustractions...) et les opérations logiques (comparaisons, ET, OU...).

2. La mémoire

C'est là que sont stockés les programmes ET les données pendant l'exécution. C'est le principe clé de Von Neumann : tout est dans la même mémoire.

On peut imaginer la mémoire comme une très longue liste de cases numérotées. Chaque case contient une valeur (une instruction ou une donnée), et chaque case a une adresse unique.

3. Les entrées/sorties

Ce sont les composants qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur :

  • Entrées : clavier, souris, capteurs, microphone, webcam...
  • Sorties : écran, haut-parleurs, imprimante...

Sans entrées/sorties, un ordinateur ne pourrait ni recevoir d'informations ni en communiquer.

4. Le bus

Ce n'est pas vraiment un composant isolé, mais c'est ce qui relie tout le reste. Le bus est un ensemble de fils électriques qui permettent aux composants d'échanger des données.

On distingue généralement :

  • le bus de données : transporte les données
  • le bus d'adresses : indique où lire ou écrire en mémoire

La mémoire en détail

Mémoire vive (RAM)

La RAM (Random Access Memory) est la mémoire principale de l'ordinateur. C'est là que sont chargés les programmes et les données en cours d'utilisation.

  • Elle est rapide : le processeur peut y accéder en quelques nanosecondes.
  • Elle est volatile : son contenu disparaît quand on coupe l'alimentation.
  • Sa capacité se mesure en Gio (gibioctets) sur les machines modernes.

Mémoire morte (ROM)

La ROM (Read Only Memory) est une mémoire non volatile : son contenu est conservé même sans alimentation, mais elle ne peut pas être modifiée (ou très difficilement).

Elle contient en général les instructions de démarrage de la machine (le BIOS ou l'UEFI).

Le stockage permanent (SSD, disque dur)

Le SSD (Solid State Drive) ou le disque dur permettent de stocker des données de façon permanente : fichiers, programmes, système d'exploitation...

  • Beaucoup plus lent que la RAM
  • Beaucoup plus grand (des centaines de Gio, voire des Tio)
  • Non volatile : les données survivent à l'extinction

Les unités de mesure

Unité Symbole Valeur approximative
Octet o 1 caractère
Kibioctet Kio 1 024 octets
Mébioctet Mio 1 024 Kio
Gibioctet Gio 1 024 Mio
Tébioctet Tio 1 024 Gio

Attention : On voit souvent Go (gigaoctet = 10⁹ octets) dans les publicités, et Gio (gibioctet = 2³⁰ octets) en informatique. Ce ne sont pas exactement les mêmes valeurs.

Monoprocesseur et multiprocesseur

Monoprocesseur

Un ordinateur monoprocesseur possède un seul cœur de calcul. Il ne peut exécuter qu'une seule instruction à la fois.

Quand plusieurs programmes semblent tourner en même temps (musique + navigateur + traitement de texte), c'est en réalité le système d'exploitation qui alterne très rapidement entre les programmes, si vite que l'utilisateur a l'impression de simultanéité.

Multiprocesseur

Un ordinateur multiprocesseur (ou multi-cœurs) possède plusieurs unités de calcul. Il peut exécuter réellement plusieurs instructions en parallèle.

Les processeurs modernes ont généralement 4, 8, voire 16 cœurs ou plus.

Le langage machine

Les registres

Pour effectuer ses calculs, le processeur dispose de petites zones de stockage ultrarapides appelées registres. On peut les voir comme des variables internes au processeur.

Contrairement à la mémoire (grande mais lente), les registres sont en nombre limité (une dizaine en général) mais accessibles instantanément.

On les nomme généralement A, B, C... ou R0, R1, R2...

Le Compteur de Programme (CP)

Le processeur dispose d'un registre spécial : le Compteur de Programme (CP). Il contient en permanence l'adresse de la prochaine instruction à exécuter.

À chaque instruction exécutée, le CP s'incrémente automatiquement pour passer à la suivante. C'est lui qui donne au processeur sa progression dans le programme.

Les instructions de base

Un programme en langage machine est une suite d'instructions très simples. En voici les principales :

Instruction Signification
LOAD R, valeur Charge une valeur dans le registre R
LOAD R, @adresse Charge en R la valeur stockée à cette adresse mémoire
STORE R, @adresse Copie la valeur de R vers cette adresse mémoire
ADD R1, R2 Additionne R1 et R2, stocke le résultat dans R1
ADD R, valeur Additionne une valeur directe à R, stocke le résultat dans R
SUB R1, R2 Soustrait R2 à R1, stocke le résultat dans R1
CMP R1, R2 Compare R1 et R2, met à jour les flags internes
JE label Saute au label si R1 = R2 lors du dernier CMP
JNE label Saute au label si R1 ≠ R2 lors du dernier CMP
JL label Saute au label si R1 < R2 lors du dernier CMP
JG label Saute au label si R1 > R2 lors du dernier CMP
JUMP label Saute toujours au label
HALT Arrête le programme

Les Labels

Un label est un nom qu'on donne à une ligne du programme. Au lieu d'écrire "saute à l'adresse 6", on écrit "saute au label FIN". C'est le processeur qui calcule les adresses réelles, pas le programmeur. Un label se note suivi de : sur la ligne qu'il désigne.

CMP et les JUMP

Quand on écrit CMP A, B, le processeur compare les deux valeurs et mémorise le résultat de la comparaison dans un endroit interne invisible (on appelle ça des flags, mais ce détail n'est pas important). Ce qui compte c'est que l'instruction de saut qui suit (JE, JL...) sait automatiquement ce que CMP vient de comparer. JE saute si les deux valeurs étaient égales, JL saute si la première était plus petite, etc.

CMP et le saut qui suit fonctionnent toujours en binôme :

CMP A, B    ← on compare
JE 6        ← on agit selon le résultat

Exemple de programme simple

On souhaite calculer 8 - 3 et stocker le résultat à l'adresse mémoire 10.

        LOAD A, 8       ; A ← 8
        LOAD B, 3       ; B ← 3
        SUB A, B        ; A ← A - B = 5
        STORE A, @10    ; écrit 5 à l'adresse mémoire 10
        HALT

À la fin de l'exécution : - Le registre A contient 5 - L'adresse mémoire 10 contient 5

Remarque : Le ; introduit un commentaire, ignoré par le processeur. C'est une bonne habitude d'expliquer chaque ligne.

Exemple avec une boucle while

Voici un programme Python et sa traduction en langage machine :

i = 0
while i < 3:
    i = i + 1

On utilise le registre A pour i et le registre B pour la limite 3.

        LOAD A, 0       ; A ← 0  (i = 0)
        LOAD B, 3       ; B ← 3  (limite)
DEBUT:  CMP A, B        ; compare A et B, met à jour les flags
        JE FIN          ; si A = B (i = 3), saute à FIN
        ADD A, 1        ; A ← A + 1  (i = i + 1)
        JUMP DEBUT      ; retourne au début de la boucle
FIN:    HALT

Déroulé de l'exécution :

Tour A B CMP Saut ?
1 0 3 0 ≠ 3 Non → ADD → A = 1
2 1 3 1 ≠ 3 Non → ADD → A = 2
3 2 3 2 ≠ 3 Non → ADD → A = 3
4 3 3 3 = 3 Oui → HALT

Idée clé : Une boucle while en langage machine c'est toujours la même structure :

  1. un ligne au début de la boucle
  2. un CMP pour tester la condition
  3. un saut conditionnel vers la sortie
  4. le corps de la boucle
  5. un JUMP inconditionnel vers le ligne du début

Exercices

1. Dérouler le programme suivant instruction par instruction. Indiquer à chaque étape le contenu des registres A et B.

        LOAD A, 10
        LOAD B, 4
        ADD A, B
        LOAD B, 2
        SUB A, B
        STORE A, @20
        HALT

Que contient l'adresse mémoire 20 à la fin ?

2. On dispose de la mémoire suivante :

Adresse Valeur
5 12
6 7

Dérouler le programme :

        LOAD A, @5
        LOAD B, @6
        ADD A, B
        STORE A, @7
        HALT

Que contient l'adresse mémoire 7 à la fin ?

3. Écrire un programme en langage machine qui calcule 3 + 5 + 2 et stocke le résultat à l'adresse mémoire 15.

4. Que fait ce programme ? Expliquer son effet.

        LOAD A, @0
        ADD A, A
        STORE A, @0
        HALT

5. On souhaite calculer le périmètre d'un rectangle de longueur 8 et de largeur 3. Le périmètre vaut 2 × (longueur + largeur).

Écrire un programme en langage machine qui calcule ce périmètre et stocke le résultat à l'adresse mémoire 20.

6. On donne le code Python suivant :

i = 0
total = 0
while i < 4:
    total = total + 2
    i = i + 1

Traduire ce programme en langage machine en utilisant :

  • A pour total
  • B pour i
  • C pour la limite

Que contient A à la fin ?

7. Écrire directement en langage machine un programme qui calcule 5 × 3 en utilisant une boucle. Stocker le résultat à l'adresse mémoire 10.