Bob Noyce, Gordon Moore, Andy Grove








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Architecture des ordinateurs

Du composant au système


  1. Introduction

1.1.Définition de base :

Informatique (Computer Science) : science du traitement automatique et rationnel de l’information en tant que support des connaissances et des communication ; ensemble des applications de cette science mettant en œuvre des matériels (ordinateurs) et des logiciels.
Ordinateurs (computeur) : Machine électronique, généralement basée sur le système binaire 0 – 1, destinée au traitement automatique de l’information. C’est un calculateur universel à programme enregistré. Circuit de l’ordinateur = le matériel (hardware), les programmes = le logiciel (software).

Machine à résoudre des problèmes
Information : élément de connaissance susceptible d’être codé pour être conservé, traité ou communiqué. Le bit est l’unité de quantité d’information. Elle est dans la tête et doit être traduite pour en sortir. On obtient une donnée
1.2.Historique :

Blaise Pascal (fr 1623-1662) : pascaline, addition avec retenu (pour son père contrôleur des finances).

Gottfried Leibnitz (al 1646-1716) : machine multiplicatrice

Charles Babbage (1830-1870 activité) : machine à différences, mécanisation de l’addition et impression directe des résultats (tables de navigation). La machine analytique partiellement monté. Mécanique à roue dentées. Programmeuse : Lady Ada Lovelace (Byron)

Alan Turing (uk 1912-1950) : machine de Turing (machine abstraite universelle). Projet Colossus (décryptage des messages codés de l’Enigma allemande), bombe de Turing. Début de l’intelligence artificielle.

John von Neumann (us 1930-1950 origine hongroise): architecture (mémoire contient programme et données). Machine EDVAC (Eckert, Mauchly). Programme nucléaire US (Oppenheimer). Théories des jeux.

Claude E. Shannon (us 1916-2001) : mathematical theory of communication. Algèbre de boole dans la théorie de l’information. Base de conception des systhème de communication.

Hermann Hollericht (us 1860-1929) : machine à statistique, recensement US de 1890, cartes perforés. Crée la mécanographie. Tabulating Machine Co  CTR (computing tabulating recording Co) dirigée à partir de 1914 par Thomas Waston qui en fait IBM en 1924 (international business machine)

Bob Noyce, Gordon Moore, Andy Grove (Intel)

Steve Jobs (macintosh, Apple, NEXT)

Bill Gates (Microsoft)

Jack Kilby (circuit integer, Texas Instruments)

Benjamin Curley (PDP I, DEC)

Gene Amdhal (OS, IBM 360)

Seymour Cray (Cray 1)

Douglas Engelbart (souris)
1.3.Concept:

1.3.1.Quantité d’information :

  • Mesure de l’incertitude d’un message

    • Quantité d’information Q d’autant plus grande qu’inatendue (ex : scoop). Q(cst)=0

    • Définie par une probabilité

  • Cas du système binaire

    • Le message élémentaire X : valeurs 0 ou 1

    • Q exprimée en bit (Binary Digit)

    • Q = 1 bit si les valeurs 0 et 1 sont équiprobables

    • Q = log2(1/px) bits (px=0,5)

    • Ex : variable à 10 valeurs : Q = 3,32 bits

  • Bit : unité pour contenu et contenant…

    • Le bit définit une quantité d’information (contenu)

    • Définit aussi une capacité de stockage exprimée en nombre entier d’unités (variable à 10 valeurs : Q = 3,322 bits dans un message de 4 bits.

  • Octet : suite contigüe de 8 bits

    • Unité de mesure de capacité d’une mémoire

    • Sert à stocker, manipuler les caractères

    • N’est qu’une quantité d’information


1.3.2.Algorithme :

Suite finie d’actions élémentaires destinée à résoudre un problème.
1.3.3.Programme

  • Un programme est la traduction d’un algorithme dans un langage bien déterminé

  • Les actions élémentaires deviennent les instructions

  • Il faut distinguer le programme de son exécution (instance d’un programme)


1.4.Matériel : l’ordinateur

  • Objectif : traitement et stockage de l’information

  • Hégémonie du numérique (binaire)

  • Communication avec le monde extérieur (périphériques, IHM interface homme machine, liaisons)

  • Grande variété de puissance (PC – mini-ordinateur – mainfarme)

  • Différentes architecture (von Neumann, Harvard)

  • Loi de Moore (1965) exacte sur + de 30 ans, « doublement de la densité des transistors dans un microprocesseur tous les 2 ans.

  • Processeur avec mots de 4, 8, 16 et 64 bits (quelque avatars à 12, 19, 37, 44, 48 … !)

  • Jeu de commande processeur : CISC (complexe instruction set computer) et RISC (reduced instruction set computer)


1.5.Le futur

  • Usinage niveau atomique

  • Bio-informatique

    • Utilisation de protéines

    • Hybride bio-semiconducteur  neurochips


1.6.Quelques ancêtre :

  • ENIAC 1946, USA, J.P. Eckert & J. Mauchley: electronic numérical integrator and computer, calcul balistique, 72 m2, 30 tonnes, 150 kWh, refroidissement 2 moteur de 12 CV, 18800 tubes, 1500 relais, 10000 condensateurs, 50000 résistances et … 5000 additions et 360 multiplication par seconde ! (notation décimale et programme cablé)

  • EDVAC 1951, USA, von Neuman : electronic discrete variable automatic computeur. 1024 mots de 44 bits (lignes à retard), mémoire auxiliaires de 20000 nombres (fils E/S : ruban papier perforé

  • MARK I, IBM, 1944, Harvard, H.H. Aiken: introduction des registres, introduction pour synchronisation (idée de Hammond pour orgue électronique)

  • MARK II,… : Successeur du MARK I et premier constat de « bug » par Grace Hopper (invention du langage assembleur)

  • SSEC, IBM, 1948, von Neuman : selective sequence electronic calculator, considéré comme le premier vrai ordinateur

  • PDP I, DEC, 1960, B. Curley : premier mini-ordinateur

  • Stretch, IBM, 1961: transistorise, mot de 64 bits, octet comme élément de base

  • IBM 360, 1964, G. Amdhal, (360° tous azimuts)


1.7.Personal computer (PC)

  • Apple I, 1976 : S. Jobs, S, Wozniak: vendu à 600 unités ≈ 650 $

  • PC XT, IBM, 1981 : standard de facto processeur intel 8088

  • Lisa, Apple, 1983 (souris comme dispositif de pointage)

  • PC AT IBM, 1984 : (advanced technology), 1 Mo, 80286 10 MHz, disque 20 Mo, DOS.

  • PC “standard 1998”: 32 Mo, Pentium 233 MHz, disque 3 Go, multimedia, Windows


1.8.Principaux périphériques

  • Mémoire de masse: disque, disquette, CD ROM, graveur

  • Interface Homme-Machine IHM : écran graphique, pointage (souris, tablette,…), son (MIDI), vidéo

  • Edition : imprimante (jet d’encre, laser), scanner (OCR), photo numérique

  • Communication : Réseau local (ethernet), modem, liaison série (RS232), USB

  • Interfaces industrielles : carte E/S TOR, CAN-CNA




  1. Elément d’un PC




  1. Des 0 et des 1…

1.9.Introduction

Ordinateur = machine pour :

  • traiter, stocker

  • communiquer de l’information codée


Codage retenu : binaire (2 extrêmes : calculateur binaire et calculateur analogique)

Objectif du chapitre :

  • Les opérateurs logiques de base permettent la réalisation des circuits de traitement et de stockage de l’information codée sous forme binaire

  • Technologie des semi-conducteurs TTL, MOS, VL


Origine ? Yi-King (I Ching, 300 av JC)

Trigrammes

Hexagrammes

Père Joachim Bouvier, Leibniz (1679, interprétation, système binaire)

Aspects théoriques George Boole (1847)
1.10.Algèbre De Boole

1.10.1.Définition

  • Algèbre de Boole s’intéresse plus aux propositions et à leur valeur de vérité (vrai – faux) qu’aux variables et à leurs valeurs numériques.

  • Ensemble d’éléments B, 2 opérations binaires, notées  et , (on lira ou et et)

    •  et  opérations commutatives : x, y de B, x  y = y  x, x  y = y  x

    •  et  distributives : x, y, et z de B : x  (y  z) = (x  y)  (x  z) et x  (y  z) = (x  y)  (x  z)

    • Dans B, il y a au moins 1 élément neutre différent pour chaque opération  et . Notés 0 et 1, ils sont tels que 01 et vérifient : 0  x = x et 1  x = x pour tout élément de x de B.

    • Pour tout élément x de B, il y a au moins un élément lui correspondant, appelé complément de x noté x’. (on lira non x) ; x’ tel que : x  x’ = 0 et x  x’ = 1.

  • On peut noter les opérations  et  par 2 symboles quelconques : +,  et  sont parfois utilisés à la place de , et x, , , et  à la place de .

  • Principe de dualité : toute propriété reste vrai si les opérations  et ), et les éléments neutres 1 et 0 sont intervertis dans cette propriété : loi de DE MORGAN (x  y)’ = x’  y’ et (x  y)’ = x’  y’


1.10.2.Fonction logique : théorème fondamentaux de l’algèbre de Boole

Théorème des constantes a + 0 = a a x 0 = 0

a + 1 = 1 a x 1 = a

Idempotence a + a = a a x a = a

Complémentation

Commutativité a + b = b + a a x b = b x a

Distributivité a + (b  c) = (a + c)  (a + b)

a  (b + c) = (a  b) + (a  c)

Associativité a + (b + c) = (a + b) + c = a + b + c

a  (b  c) = (a  b)  c = a  b  c

Théorème de De Morgan

Autres relations a + (a  b) = a

a  (a + b) = a


1.11.Fonctions logiques: opérateurs, tables de vérités


1.12.Technologie


1.12.1.Fonctions élémentaires




1.12.2.Ou-exclusif XOR

1.12.2.1.Définition

Fonction de deux variables qui ne vaut 1 (vrai) que si une des deux variables est à 1 (vrai).
Notation : z = a  b


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