Architecture de Base

Ce document présente les notions fondamentales de l'architecture des systèmes informatiques basés sur le modèle de Von Neumann. Il s'adresse aux étudiants en informatique ou en électronique souhaitant comprendre la structure et le fonctionnement des microprocesseurs et des composants associés.

Modèle de Von Neumann

Le modèle de Von Neumann, proposé par John Von Neumann en 1946, est la base de la plupart des systèmes informatiques actuels. Il s'agit d'une architecture universelle de machine à traitement programmé de l'information, composée des éléments suivants :

• Une unité centrale
• Une mémoire principale
• Des interfaces d’entrées/sorties

Ces différents organes sont reliés par des voies de communication appelées bus.

L’unité centrale de traitement (CPU)

L’unité centrale de traitement, ou CPU (Central Processing Unit), est constituée de plusieurs composants essentiels :

• Une unité arithmétique et logique (UAL) : organe de calcul du système, elle réalise les opérations arithmétiques et logiques.
• Des registres : zones de stockage temporaires pour les données de travail de l’UAL, comme les opérandes et les résultats intermédiaires.
• Une unité de contrôle (CU : Control Unit) : elle envoie les ordres aux autres composants pour exécuter un programme.

Un microprocesseur est une unité centrale de traitement intégrée dans un seul circuit intégré, regroupant l’UAL, les registres et l’unité de contrôle.

L’unité d’entrées/sorties (E/S) sert d’intermédiaire entre le calculateur et le monde extérieur.

L’unité de transfert est le support matériel permettant la circulation des données. Tous les échanges d’ordres et de données sont synchronisés par une horloge délivrant des impulsions à intervalles réguliers.

La mémoire principale

La mémoire principale est un ensemble de cellules, chacune contenant une information, une instruction ou une donnée. Chaque cellule est identifiée par un numéro unique appelé adresse.

Physiquement, la mémoire se divise en deux types :

• Mémoire morte (ROM : Read Only Memory) : mémoire à lecture seule, utilisée pour stocker le programme.
• Mémoire vive (RAM : Random Access Memory) : mémoire dans laquelle on peut lire et écrire des données intermédiaires ou des résultats de calcul. Ces données sont perdues lorsque l’alimentation est coupée.

Les bus

Un bus est un ensemble de fils assurant la transmission d’un type d’information entre les composants.

• Bus de données (Data Bus) : bidirectionnel, il transfère les informations entre le microprocesseur et son environnement. Le nombre de lignes du bus de données correspond à la capacité de traitement du microprocesseur.
• Bus d’adresses (Adress Bus) : unidirectionnel, il permet de sélectionner une information dans l’espace mémoire. Cet espace peut contenir 2^n emplacements, où n est le nombre de conducteurs du bus d’adresses.
• Bus de commande (Control Bus) : constitué de quelques conducteurs, il synchronise les flux d’informations sur les bus de données et d’adresses.

Le microprocesseur

Le microprocesseur a pour rôle :

• D’interpréter et d’exécuter les instructions d’un programme.
• De lire ou sauvegarder les résultats dans la mémoire.
• De communiquer avec les unités d’échange.

Toutes ses activités sont cadencées par une horloge.

Les caractéristiques principales d’un microprocesseur sont :

• Sa fréquence d’horloge, exprimée en MHz ou GHz.
• Le nombre d’instructions par seconde qu’il peut exécuter, exprimé en MIPS (Millions d’Instructions Par Seconde).
• La taille des données qu’il peut traiter, exprimée en bits.

Exécution d’un programme par le microprocesseur

Un programme est une suite d’instructions stockées dans la mémoire. Pour exécuter ces instructions dans l’ordre, le microprocesseur utilise un registre appelé pointeur d’instruction (IP : Instruction Pointer), aussi nommé compteur d’instructions ou compteur ordinal, qui contient l’adresse de la prochaine instruction à exécuter.

Format d’une instruction

Le microprocesseur lit le premier octet de l’instruction pointée par le pointeur d’instruction, appelé code opératoire. Ce code est stocké dans un registre nommé registre d’instruction.

Le code opératoire est décodé par des circuits internes, qui produisent des signaux de commande pour l’UAL afin d’exécuter l’opération demandée (addition, soustraction, etc.).

Exemple d’exécution d’instruction

Supposons que le pointeur d’instruction pointe vers une instruction d’addition :

1. Le microprocesseur lit le code opératoire de l’instruction d’addition et le place dans le registre d’instruction.
2. Le code est décodé, et des signaux sont envoyés à l’UAL pour effectuer l’addition.
3. L’UAL utilise des registres de travail, comme l’accumulateur, pour stocker temporairement les données intermédiaires.
4. Une fois l’opération terminée, le pointeur d’instruction est incrémenté pour pointer vers l’instruction suivante.
5. Le registre d’état du microprocesseur est mis à jour en fonction du résultat, chaque bit représentant un indicateur d’état ou flag.

Glossaire des termes clés

• Accumulateur : registre temporaire utilisé par l’UAL pour stocker des données intermédiaires.
• Bus : ensemble de fils assurant la transmission d’informations entre composants.
• Code opératoire : premier octet d’une instruction indiquant l’opération à réaliser.
• Compteur d’instructions (IP) : registre contenant l’adresse de la prochaine instruction à exécuter.
• Contrôle Unit (CU) : unité de contrôle qui commande l’exécution des instructions.
• Instruction : commande élémentaire exécutée par le microprocesseur.
• Microprocesseur : circuit intégré regroupant l’UAL, les registres et l’unité de contrôle.
• Memory RAM : mémoire vive, accessible en lecture et écriture, volatile.
• Memory ROM : mémoire morte, accessible uniquement en lecture.
• Registre : petite zone de stockage rapide dans le microprocesseur.
• UAL (Unité Arithmétique et Logique) : composant réalisant les opérations arithmétiques et logiques.
• Registre d’état : registre contenant des flags indiquant l’état du microprocesseur après une opération.

Points clés à retenir

• Le modèle de Von Neumann repose sur une unité centrale, une mémoire principale et des interfaces d’entrées/sorties reliées par des bus.
• Le microprocesseur intègre l’UAL, les registres et l’unité de contrôle dans un seul circuit intégré.
• La mémoire principale est divisée en ROM (lecture seule) et RAM (lecture/écriture volatile).
• Les bus de données, d’adresses et de commande assurent la communication interne.
• Le pointeur d’instruction permet au microprocesseur de suivre la séquence des instructions à exécuter.
• Chaque instruction est décodée et exécutée par l’UAL avec l’aide des registres, puis le pointeur d’instruction est mis à jour.
• Le registre d’état contient des indicateurs (flags) reflétant le résultat des opérations.