Architecture et Maintenance des Ordinateurs · ISET-SFAX 1 PLAN DU COURS: ARCHITECTURE ET...

Ministère de l’Enseignement Supérieur

Direction Générale des Etudes Technologiques

Institut Supérieur des Etudes Technologiques de Sfax

DEPARTEMENT INFORMATIQUE

(Notes de cours, TD et TP)

AUDITOIRE : Niveau 1, Informatique

CHARGE HORAIRE : 45 Heures de Cours Intégré

45 Heures de Travaux Pratiques

ENSEIGNANT : Mondher HADIJI

[email protected]

Année Universitaire : 2004-2005

Architecture et Maintenance

des Ordinateurs

SOMMAIRE

PARTIE I : PRESENTATION PEDAGOGIQUE…...1 Plan du cours : Architecture et Maintenance des

Ordinateurs………………………….………………...1 1. Table de matière pédagogique……………………………………….…..1

2. But du cours et objectifs généraux………………………………….…...4

3. Décomposition des objectifs généraux en objectifs spécifiques…….5

4. Evaluation du module……………………………………………………..8

PARTIE II : PRESENTATION DU COURS…………...9

Contenu du cours

Chapitre1 : Introduction……………………………………….11 1. Historique…………………………...……………………………....13

2. Les différentes générations …...…………………………….........15

3. L’architecture de l’ordinateur et l’Homme ………………........17

Chapitre2 : Les Systèmes de Numérations…………...….21 1. Introduction...……………………………………………………….23

2. Codage des alphanumériques ……………………………...…….24

3. Codage des nombres entiers………………………………...…....27

4. Changement de base…………………………………….................31

5. L’arithmétique binaire………………………………...…..............34

6. Les nombres réels…………………………………….....................39

Chapitre3 : Les Microprocesseurs……………………...….43 1. Introduction……………………………………………………...….45

2. Définitions…………………………………………..…………...….45

3. Caractéristiques des processeurs……………..……………....….47

4. Les principales unités du Microprocesseur..………..………….48

5. Exécution d'une instruction……………..……………....………..63

6. Modèles de microprocesseur……………..……………...........….67

Chapitre4 : Les Mémoires…………..…………..…...........….69 1. Introduction……………..………………………………............….71

2. Organisation des mémoires……………………………...............72

3. Mémoire centrale……………………………............................….73

4. Mémoire de masse ou mémoire auxiliaire............................….81

5. Hiérarchie des mémoires............................……………………...81

6. Conclusion............................……………………………………....82

Chapitre5 : Les Bus…………..…………..….........................….83 1. Généralités…………..…………..…...........................................….85

2. Caractéristiques d’un bus…………..…………..…..................….86

3. Mode de fonctionnement…………..…………..…..................….86

4. Modes de transmissions de l’information…..…..................…..86

5. Exemples de Bus…..…..................……………………………….88

Liste des Travaux Pratiques TP1 : Vue Externe des composants d’un Ordinateur….....….99

TP2 : Vue Interne des composants d’un Ordinateur…….…111

TP3 : Montage et démontage d’un ordinateur………………127

TP4 : Configuration SETUP………………………………...…137

TP5 : Installation et configuration d’un Système

d’exploitation…………………………………………...…159

TP6 : Installation et Configuration des Cartes d’Extensions et

des Périphériques…………………..……………………...169

TP7 : Installation, Configuration et gestion des disques…...179

TP8 : Outils de sécurité et de maintenance informatique….187

Liste des Travaux Dirigés TD1 : Les périphériques

TD2 : Les systèmes de numération

TD3 : Les microprocesseurs

TD4 : Les mémoires

Bibliographies

Partie 1 :

Présentation Pédagogique

Cours Architecture et Maintenance des Ordinateurs

ISET-SFAX 1

PLAN DU COURS :

ARCHITECTURE ET MAINTENANCE DES

ORDINATEURS

Le cours architecture et maintenance des Ordinateurs est destiné aux étudiants de l’ISET

niveau 1, profil Informatique. Ce cours a comme volume horaire 45 heures de cours intégré

et 45 heures de travaux pratiques en raison de 3 heures de cours intégré et 3 heures de TP

par semaine.

Dans cette première partie, je commence par présenter le plan de cours architecture et

maintenance des systèmes informatiques, en second lieu les objectifs généraux, et enfin une

décomposition des objectifs généraux en objectifs spécifiques.

1. Table de matière pédagogique

CHAPITRE1 : Introduction (3 heures) 1. Historique

1.1. Les précurseurs de l'ordinateur

1.2. La machine de Turing

1.3. La machine de Von Neumann

1.4. Les premiers micro-ordinateurs

2. Les différentes générations 2.1. La première génération

2.2. La deuxième génération

2.3. La troisième génération

2.4. La quatrième génération

2.5. La cinquième génération

2.6. Que nous réserve l’avenir ?

3. L’architecture de l’ordinateur et l’Homme 3.1. Un corps dénommé hardware

3.2. Une âme dénommée software ou logiciel

CHAPITRE2 : Les Systèmes de Numérations (12 heures) 1. Introduction

2. Codage des alphanumériques 2.1. Le code EBCDIC

2 Mondher HADIJI

Partie 1 Présentation pédagogique

2.2. Le code ASCII

3. Codage des nombres entiers 3.1. Système décimal

3.2. Cas général : BASE B

3.3. Numération binaire

3.4. Numération octale

3.5. Base seize (hexadécimal)

3.6. Autres bases de représentation

4. Changement de base 4.1. Passage de la base B vers la base DIX

4.2. Passage de la base DIX vers la base B

4.3. Passage de la base 2n vers la base 2 et de la base 2 vers base 2n

4.4. Passage de la base i vers la base j

5. L’arithmétique binaire 5.1. Les 4 opérations arithmétiques usuelles

5.2. Les nombres négatifs

6. Les nombres réels 6.1. Représentation en virgule fixe

6.2. Représentation en virgule flottante

CHAPITRE3 : Les Microprocesseurs (15 heures) 1. Introduction

2. Définitions

3. Caractéristiques des processeurs 3.1. Architecture

3.2. La taille du bus externe

3.3. La taille du bus d'adresses

3.4. La fréquence interne et la fréquence externe

3.5. Présence de mémoire Cache

4. Les principales unités du Microprocesseur 4.1. Notions d’Horloge, Pipeline, Superscalaire

4.2. Unité de commande ou unité de contrôle

4.3. Unité de mémoire cache

4.4. Unités d’exécutions

4.5. Unités de Segmentation et de Pagination

4.6. Unité d'interface de Bus

4.7. Unité d'anticipation

4.8. Unité queue

4.9. Unité de décodage

4.10. Les Registres


ISET-SFAX 3

5. Exécution d'une instruction 5.1. Exemple1

5.2. Exemple2

6. Modèles de microprocesseur

CHAPITRE4 : Les Mémoires (9 heures) 1. Introduction

2. Organisation des mémoires 2.1. Organisation interne

2.2. Organisation externe

3. Mémoire centrale 3.1. Mémoire vive

3.2. Mémoire morte

4. Mémoire de masse ou mémoire auxiliaire

5. Hiérarchie des mémoires

6. Conclusion

CHAPITRE5 : Les Bus (1.5heures) 1. Généralités

2. Caractéristiques d’un bus

3. Mode de fonctionnement 3.1. Les Bus synchrones

3.2. Les Bus asynchrones

4. Modes de transmissions de l’information 4.1. Bus parallèle

4.2. Bus série

5. Exemples de Bus 5.1. Le Bus ISA ou PC-AT

5.2. Le Bus MCA

5.3. Le Bus EISA

5.4. Le Bus VESA

5.5. Le bus PCI

5.6. Le Bus SCSI

5.7. Le Bus USB

5.8. Le Bus FireWire – iLink

5.9. Le Bus graphique AGP

4 Mondher HADIJI


2. But du cours et objectifs généraux

BUTS DU COURS :

Faire comprendre aux étudiants l’architecture d’un ordinateur et ses

périphériques ainsi que les interactions qui existent entres ses différents

composants.

Maîtriser les différentes actions de maintenance des ordinateurs dans les

TP.

Objectifs généraux Conditions de réalisation de la

performance

Critères d’évaluation

de la performance

Présenter l’évolution

de l’ordinateur

depuis ses débuts.

A partir des notes de cours et des

références bibliographiques, l’étudiant

devra savoir l’historique des ordinateurs.

Aucune erreur n’est

permise.

Manipuler les

systèmes de

numération et de

codage dans un

ordinateur.

A partir des notes de cours, des

références bibliographiques ainsi que le

TD2, l’étudiant devrait pouvoir effectuer

la conversion vers les différentes bases,

représenter les nombres et réaliser les

différents types d’opérations

arithmétiques.

90 % des exercices

devront être réussis.

Comprendre

l’architecture et le

fonctionnement d’un

microprocesseur.



TD3, l’étudiant devrait pouvoir

représenter les étapes élémentaires de

l’exécution des instructions par un

microprocesseur

Aucun concept ne doit

être omis.

Distinguer les

différents types de

mémoires et leur

fonctionnement.



TD4, l’étudiant devrait distinguer les

différents types de mémoires, leurs rôles

et fonctionnements

Aucun concept ne doit

être omis.

Comprendre le rôle,

les différents types


références bibliographiques, l’étudiant

Aucune erreur n’est

permise.


ISET-SFAX 5

et le fonctionnement

des bus dans un

ordinateur.

doit distinguer les différents types de bus,

détailler leurs rôles et leur

fonctionnement.

3. Décomposition des objectifs généraux en objectifs

spécifiques

ENONCE DE L’OBJECTIF GENERAL :

Présenter l’évolution de l’ordinateur depuis ses débuts.

Objectifs spécifiques Eléments de contenu Méthodologies Durée

Enumérer les étapes

marquantes dans

l’évolution des

ordinateurs

Les précurseurs de l'ordinateur

La machine de Turing

La machine de Von Neumann

Les premiers micro-ordinateurs

Les différentes générations

Exposé informel

(tableau,

transparents)

1.5 H

Présenter une vue

d’ensemble de

l’organisation générale

d’un ordinateur

Présenter l’architecture de base

d’un ordinateur et faire une

comparaison entre l’architecture

de l’ordinateur et l’Homme

Exposé informel

(tableau,

transparents)

1.5 H


Manipuler les systèmes de numération et de codage dans un ordinateur.


Comprendre comment

représenter les

caractères et les

nombres positifs et

négatifs dans la

mémoire

Codage des alphanumériques

Codage des nombres entiers

Changement de base

Exercices applicatifs

Exposé informel

(tableau,

transparents)

6 H

6 Mondher HADIJI


Expliquer comment

effectuer les

opérations

arithmétiques

Les opérations arithmétiques :

addition, soustraction,

multiplication et division dans des

différentes bases de numération


Exposé informel

(tableau,

transparents)

6 H


Comprendre l’architecture et le fonctionnement d’un microprocesseur.


Définir le

microprocesseur et

présenter ses

caractéristiques

Définition du microprocesseur

Le rôle du microprocesseur dans

l’ordinateur

Les caractéristiques des

microprocesseurs

Exposé informel

(tableau,

transparents)

Schémas

explicatifs

3 H

Expliquer le rôle des

principales unités du

Microprocesseur et

présenter leurs

interactions

Unité de commande

Unité de mémoire cache

Unité de calcul

Unité de segmentation et de

pagination

Unité d’interface de bus

Unité d’anticipation

Unité de Queue

Unité de décodage

Les registres

Exposé informel

(tableau,

transparents)

Schémas

explicatifs

7.5 H

Comprendre les étapes

d’exécutions d’une

instruction

Exécution d’une instruction


Exposé informel

(tableau,

transparents)

Schémas

explicatifs

3 H


ISET-SFAX 7

Présenter les modèles

de microprocesseur

les plus répondus

Evolutions rapides des

microprocesseurs

Famille Intel, Famille AMD

Exposé informel

(tableau,

transparents)

1.5 H


Distinguer les différents types de mémoires et leur fonctionnement.


Connaître les


mémoires et leur

hiérarchie.

Les caractéristiques des différents

types de mémoires et leur

hiérarchie dans un ordinateur

Exposé informel

(tableau,

transparents)

3 H

Comprendre

l’organisation de la

mémoire centrale

Présentation de l’organisation de

la mémoire centrale

Exposé informel

(tableau,

transparents)

Schémas

explicatifs

3 H

Comprendre le

fonctionnement de la

mémoire centrale

Fonctionnement interne de la

mémoire centrale

Exposé informel

(tableau,

transparents)

Schémas

explicatifs

1.5 H

Connaître les


mémoires

Présentation des différents types

de mémoires vives et mémoires

mortes

Exposé informel

(tableau,

transparents)

1.5 H


Comprendre le rôle, les différents types et le fonctionnement des bus dans un

ordinateur.


Distinguer les Bus de données Exposé informel 0.5 H

8 Mondher HADIJI


différents types de bus Bus d’adresses

Bus de commandes

(tableau,

transparents)

Connaître le mode de

fonctionnement d’un

bus

Bus synchrones

Bus asynchrones

Exposé informel

(tableau,

transparents)

0.5 H

Connaître quelques

exemples de bus dans

un ordinateur

Présenter les bus les plus connus

dans un ordinateur : PCI, ISA,

AGP, USB..

Exposé informel

(tableau,

transparents)

0.5 H

4. Evaluation du module

Test : 10 %

Devoir : 20%

TP : 20 %

Examen : 50%

Partie 2 :

Présentation du Cours

INTRODUCTION

Objectifs

A la fin de ce chapitre, vous saurez :

Enumérer les étapes marquantes dans l’évolution des ordinateurs

Présenter une vue d’ensemble de l’organisation générale d’un ordinateur

Durée approximative de ce chapitre : 3heures

Eléments de contenu

1. Historique…………………………...……………………...…....13 1.1. Les précurseurs de l'ordinateur...………………….………....13 1.2. La machine de Turing ...……………………...…………….....13 1.3. La machine de Von Neumann...…………………….......…....13 1.4. Les premiers micro-ordinateurs...……………………....…....15 2. Les différentes générations …...………………………........15 3. L’architecture de l’ordinateur et l’Homme ………........17

12 Mondher HADIJI

Chapitre 1 Introduction

Cours Architecture et maintenance des Ordinateurs

ISET-SFAX 13

1. Historique

1.1. Les précurseurs de l'ordinateur

Les premières machines à calculer mécaniques étaient les machines à roues dentées de

Wilhelm Schickard (1592-1635), de Blaise Pascal (1623-1662) et de Gottfried Wihelm

Leibniz (1646-1716). Fragiles et peu maniables, elles ne furent guère utilisées. Le

premier véritable précurseur de l'informatique est l'anglais Charles Babbage (1792-1871).

Sa «machine analytique», qui utilise, au XIXe siècle, des cartes perforées indiquant les

données et les opérations à effectuer, était théoriquement novatrice mais techniquement

tellement complexe qu'elle n'a jamais fonctionné.

1.2. La machine de Turing

Alan Turing (1912-1954) est un mathématicien britannique qui a étudié des problèmes de

logique et de fondement des mathématiques qui le conduisent à définir, en 1936, ce que

l'on appelle maintenant «machine de Turing» et qui est un des concepts de base de

l'informatique. C'est un pur objet mathématique abstrait, qui permet de formaliser

rigoureusement la notion de calcul et de délimiter la frontière entre problèmes

«calculables» et problèmes non «calculables». La notion introduite par Turing de

«machine universelle» préfigure le principe de l'ordinateur. Par ailleurs, pendant la

Seconde Guerre mondiale, Turing a travaillé pour les services secrets alliés en participant

à l'équipe de scientifiques qui ont utilisé des moyens automatiques de calcul pour

déchiffrer les codes secrets de l'armée allemande.

1.3. La machine de Von Neumann

John Von Neumann (1903-1957), mathématicien américain d'origine hongroise, est l'un

des plus brillants scientifiques du XXe siècle. Pendant la Seconde Guerre mondiale, Von

Neumann participe, entre autres, aux calculs nécessaires à la mise au point de la bombe

atomique américaine. Pour faire ces calculs, il cherche à utiliser les calculateurs

disponibles aux États-Unis. En 1944, il rencontre à l'université de Pennsylvanie J. P.

Eckert et J. W. Mauchly qui construisent un très gros calculateur: l'ENIAC (Electronic

Numerical Integrator, Analyser and Computer) :machine universelle, programmable,

numérique, basée sur le système décimal, et entièrement électronique. Avec ses 18000

tubes et ses 30 tonnes, l’ENIAC pouvait multiplier deux nombres de 10 chiffres en 3

millisecondes !

14 Mondher HADIJI


Bien que très puissante, cette machine n'est pas encore un ordinateur. Son usage est très

fastidieux et Von Neumann cherche à améliorer sa conception. Avec Eckert, Mauchly et

une équipe d'ingénieurs, il conçoit, en 1945, les plans d'une nouvelle machine qu'il

appelle l'EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Cette machine est

fondamentalement nouvelle dans son architecture. L'innovation fondamentale est que

dans sa mémoire centrale sont placés non seulement les données mais aussi le

programme. Une unité de commande interne permet d'organiser le travail de la machine

et les échanges avec l'extérieur.

La machine de Von Neumann met cinq principes qui figurent dans les ordinateurs

actuels :

- Une unité effectuant les opérations arithmétiques élémentaires (addition, soustraction,

multiplication et division) : c’est l’unité arithmétique et logique

- Une Unité pour le contrôle logique de la machine et l’ordonnancement correct de ses

opérations : c’est l’unité de commande.

- Une unité pour la sauvegarde de l’information : c’est la mémoire centrale.

- Des organes pour transférer l’information du médium d’enregistrement externe de la

machine vers la partie arithmétique centrale, la partie de contrôle centrale et la

mémoire : ce sont les unités d’entrées.

- Des organes pour transférer l’information de la partie arithmétique centrale, la partie

de contrôle centrale et la mémoire vers le médium d’enregistrement externe : ce sont

les unités de sorties.

-

Unités

d’entrées

Unités de

sorties

Unité

Arithmétique

et logique

Unité de

commande

Unité de

sauvegarde

Figure1.1. Machine de Van Neumann


ISET-SFAX 15

1.4. Les premiers micro-ordinateurs

La micro-informatique se développe à partir de 1975. Les immenses progrès dans la

miniaturisation des circuits conduisent à l'invention du microprocesseur, qui est l'organe

de base du micro-ordinateur.

2. Les différentes générations

2.1. La première génération : tubes à vide (1945-1958)

C’est l’époque de la technologie des tubes à vides (lampes ou des relais). L’organisation

de l’ordinateur était simple avec peu d’unités différentes. Le nombre d’éléments logiques

était de l’ordre de 104 environ

Au niveau logiciel, la programmation se faisait en langage machine, grâce à l’assembleur

symbolique.

La plupart des concepts architecturaux que l’on trouve dans les ordinateurs modernes ont

été inventés à cette époque : les registres d’indexation (1949), la microprogrammation

(1951), la représentation des nombres avec virgule flottante (1954), les interruptions de

programme (1954), les registres à usage non spécialisé (1956), les entrées-sorties

asynchrones (1956) et l’adressage indirect (1958).

2.2. La deuxième génération : le transistor (1958-1964)

D’un point de vue technologie, le passage à la seconde génération correspond à

l’utilisation du transistor dans la conception des éléments de l’ordinateur. Cela permet

d’augmenter d’un ordre de grandeur, le nombre d’éléments logiques (105). Les systèmes

étaient composés d’un petit nombre d’unités assez complexes. Le premier ordinateur à

transistor, appelé TRADIC (800 transistors) est apparu en 1964.

Coté logiciel, les premiers langages évolués de programmation voient le jour (COBOL,

FORTRAN, ALGOL, LISP).

2.3. La troisième génération : les machines à circuits intégrés

(1964-1978)

La troisième génération est celle du passage du traitement de données au traitement de

l’information. La donnée possède une sémantique et pas seulement une syntaxe.

16 Mondher HADIJI


Au niveau technologique, elle est marquée par l’utilisation de circuits intégrés SSI (Small

Scale Integration) puis MSI (Medium Scale Integration), c’est à dire des circuits

contenant environ une dizaine de composants élémentaires, puis quelques centaines. Le

nombre d’éléments logiques constituant une machine a encore augmenté d’un ordre de

grandeur (106).

Au niveau de l’architecture des machines, c’est l’avènement de la notion de famille, avec

la série 360 d’IBM, l’apparition de la génération des mini-ordinateurs et c’est aussi la

génération des premiers microprocesseurs avec le circuit 4004 d’INTEL, apparu en 1972.

Côté logiciel, le système d’exploitation devient la ressource la plus importante et aussi la

plus complexe. Au niveau des langages de programmation, on voit apparaître PL1, Algol

68, Simula 67, Pascal, Basic, APL.

2.4. La quatrième génération : LSI, machines spéciales, réseaux

(1978-1985)

Cette génération est caractérisée principalement par la notion de réseaux de machines.

Au niveau technologique, l’utilisation de circuits LSI (Large Scale Integration) contenant

plusieurs centaines d’éléments logiques, permet d’augmenter, encore d’un ordre de

grandeur, le nombre de composants logiques élémentaires (107)

Face à la stagnation de la sémantique des jeux d’instructions et à la complexité

grandissante des langages de programmation qui entraîne une forte augmentation de la

complexité des compilateurs, l’époque charnière entre la troisième et la quatrième

génération voit l’apparition d’un nouveau concept architectural : les machines langages

ou multi-langages.

2.5. La cinquième génération : VLSI, parallélisme 1985 -…

La dernière génération est celle des systèmes distribués interactifs.

Niveau technologique, les progrès sont immenses, par rapport aux premières générations.

On parle de niveau d’intégration VLSI (Very Large Scale Integration) voire même de

WSI (Wafer Scale Integration), ce qui a permis d’augmenter de plusieurs ordres de

grandeurs, le nombre de composants logiques élémentaires dans une machine (108). Un

processeur complet de plusieurs millions de transistors se trouve dorénavant dans un seul

circuit intégré.


ISET-SFAX 17

Côté architecture, c’est le retour à des jeux d’instructions beaucoup plus simples

(architecture RISC : Reduced Instruction Set Computers), permettant des organisations

plus performantes (processeurs multi-scalaires). La cinquième génération est aussi la

génération des architectures à parallélisme massif (plusieurs milliers ou millions de

processeurs élémentaires).

On distingue donc cinq générations d’ordinateurs :

Génération Date Technologie

1 1945 Tubes à vide

2 1958 Transistors

3 1964 Circuits Intégrés

4 1978 LSI

5 1985 VLSI

2.6. Que nous réserve l’avenir ?

La technologie électronique actuelle semble obéir à la loi de Moore (Gordon Moore de

Intel) : le nombre de transistors qu’on peut placer sur une puce augmente par quatre à

tous les trois ans parce que la taille des traits dans les circuits intégrés diminue de 10 %

chaque année.

3. L’architecture de l’ordinateur et l’Homme

L’ordinateur a été conçu par l’Homme et comme son nom l’indique pour ordonner des

informations, des données. Cette capacité d’ordonner présuppose des fonctions, qui sans

être une intelligence, telle que celle de l’homme, en constitue une partie.

L’Homme créa l’ordinateur à son image : c’est pour cette raison que l’ordinateur est

constitué principalement :

- d’un corps (hardware ou matériel)

- d’une âme (software ou logiciel)

Tableau 1.1. Les cinq générations d’ordinateur

18 Mondher HADIJI


Ordinateur Homme M

até

riel

ou

ha

rdw

are

Un

ité

cen

tra

le Mémoire centrale

Le

corp

s

La

co

lon

ne

ver

téb

rale

La mémoire pour garder les souvenirs,

les informations …

L’horloge Le cœur pour rythmer son travail

Le microprocesseur Le cerveau pour réfléchir

Les bus Les nerfs pour relier ces composantes

Autres… Autres…

Pér

iph

ériq

ues

Clavier, scanner…

Org

an

es D’entrées : l’œil, l’oreille…

Imprimante, écran… De sorties

Modems… D’entrées-sorties : le nez, la bouche…

Mémoires de masses

(disques durs, disquettes…)

Documents (blocs-notes…)

Logiciel ou software L’âme

3.1. Un corps dénommé hardware ou matériel

Le hardware de l’ordinateur c’est son corps. A l’image de celui de l’homme, il est

composé d’une colonne vertébrale et d’organes. Mais comme la mémoire de l’homme

est insuffisante pour tout retenir, il fut obligé de créer des supports extérieurs comme les

blocs-notes, les carnets d’adresses, les livres … l’ordinateur, de même, fut doté de

supports extérieurs (mémoires auxiliaires ou mémoires de masses) servant de

complément à la mémoire limitée dont il est pourvu dans son cerveau.

3.1.1. Une colonne vertébrale dénommé unité centrale

La colonne vertébrale de l’ordinateur est dénommée unité centrale (U.C.) du fait que

tous les autres organes sont situés autour de lui, à sa périphérie. Celle-ci constituée

principalement d’une carte électronique sur laquelle sont soudées ou enfichées d’autres

composantes. La carte principale est appelée la carte-mère.

Tableau 1.2. Comparaison entre l’ordinateur et l’Homme


ISET-SFAX 19

A l’image de la colonne vertébrale de l’Homme, l’unité centrale de l’ordinateur contient

d’un côté la mémoire (pour ne pas oublier l’information) et de l’autre le

microprocesseur (le cerveau pour réfléchir) qui est composé d’un ensemble d’éléments

dédiés aux fonctions logiques et de réflexion mais aussi de contrôle des organes.

Mais l’ordinateur comporte aussi dans son unité centrale une horloge (un cœur) qui

rythme le travail du microprocesseur et de tous les organes qui sont reliés à l’unité

centrale.

Enfin, un ordinateur est comme l’être humain a besoin de relier toutes ces composantes

pour qu’elles puissent communiquer : c’est le rôle dans le corps humain des nerfs et dans

l’ordinateur des bus.

3.1.2. Des organes dénommés périphériques

Les organes de l’ordinateur sont dénommés « périphériques », car ils sont

schématiquement placés autour de l’unité centrale. Ces périphériques vont permettre à

l’ordinateur de communiquer avec son monde extérieur comme le fait l’homme avec les

mains, les oreilles, le nez ou la bouche.

3.1.3. Des mémoires externes dénommées mémoires de masses

L’ordinateur a certes, une mémoire interne située dans l’unité centrale, mais elle est

insuffisante et surtout temporaire car on ne peut y garder de l’information que s’il est

alimenté en électricité. Comme l’ordinateur ne peut fonctionner en continu, on lui a créé

des mémoires externes (disques durs, disquettes, CD…) où l’on peut stocker les

informations auxquelles on a recours.

3.2. Une âme dénommée software ou logiciel

Le software ou logiciel est la partie immatérielle de l’ordinateur c’est son âme puisqu’il

le fait vivre. Un logiciel est une suite d’instructions données à l’ordinateur dans un

langage informatique.

LES SYSTEMES DE NUMERATION

Objectifs


Représenter les caractères et les nombres positifs et négatifs dans la mémoire

Effectuer les opérations arithmétiques

Durée approximative de ce chapitre : 12 heures


1. Introduction...…………………………………………………….23 2. Codage des alphanumériques …………………………...….24 3. Codage des nombres entiers………………………………....27 4. Changement de base………………………………...................31 5. L’arithmétique binaire………………………………..............34 6. Les nombres réels……………………………….......................39

22 Mondher HADIJI

Chapitre 2 Systèmes de numération


ISET-SFAX 23

1. Introduction

Les systèmes informatiques actuels étant construits à l’aide de circuits intégrés,

composants électroniques qui rassemblent sur une puce de silicium quelques millions

de transistors, ils ne peuvent fonctionner que selon une logique à deux états telle que,

de façon schématique, le courant passe ou ne passe pas dans le transistor.

Ces deux états logiques, conventionnellement notés 0 et 1, déterminent une logique

dite binaire qui correspond à deux niveaux électriques que nous donnerons, pour

simplifier, comme étant équivalents à 0 volt et à 5 volts.

Toute information à traiter devra donc pouvoir être représentée sous une forme

assimilable par la machine, et donc sous une forme binaire. Que ce soit en interne

dans la machine, comme nous venons de le signaler, ou sur les fils permettant de faire

circuler l’information entre tous les composants d’un ordinateur.

Le passage d’une information, d’un langage compréhensible par l’homme à un

langage compréhensible par le système informatique, s’appelle codage ou

codification.

En effet, le codage d’une information consiste à établir une correspondance entre la

représentation externe de l’information et sa représentation interne dans la machine

qui est une suite de bits. Plusieurs types de codifications sont mises au point pour

représenter les chiffres et les lettres.

Etat 0

Etat 1

Un interrupteur ouvert : Etat logique 0

Un interrupteur fermé : Etat logique 1

24 Mondher HADIJI


2.Codage des alphanumériques (textes)

Les caractères alphanumériques sont des données non numériques, on ne peut pas

donc effectuer des opérations arithmétiques (addition, multiplication,…) sur des

caractères. Par contre, il est souvent utile de comparer deux caractères, pour une

opération de trie ou autre.

Ils sont composés de :

- Les lettres majuscules : A, …, Z ;

- Les lettres minuscules : a, …, z ;

- Les symboles de ponctuations : , . ; ! ? « …

- Les chiffres : 0, …, 9

Un texte, ou chaîne de caractères, sera représenté comme une suite de caractères. Le

codage des caractères est fait par une table de correspondance indiquant la

configuration binaire représentant chaque caractère.

Les deux codes les plus connus sont :

- Le code EBCDIC

- Le code ASCII


ISET-SFAX 25

2.1. Le code EBCDIC

Le code EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) est utilisé

principalement par IBM, représenté sur 8 bits et il est en voie de disparition.

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

0000 NUL DLE DS SP & - { } \ 0

0001 SOH DC1 SOS / A J a j 1

0010 STX DC2 FS SYN B K S b k s 2

0011 ETX TM C L T c l t 3

0100 PF RES BYP PN D M U d m u 4

0101 HT NL LF RS E N V e n v 5

0110 LC BS ETB UC F O W f o w 6

0111 DEL IL ESC EOT G P X g p x 7

1000 CAN H Q Y h q y 8

1001 EM I R Z i r z 9

1010 SMM CC SM ! ::

1011 VT CUI CU2 CU3 $ , #

1100 FF IFS DC4 < * % @

1101 CR IGS ENQ NAK ( ‘

1110 SO IRS ACK + ; > =

1111 SI IUS BEL SUB | ? "

Tableau 2.1. Table EBCDIC

26 Mondher HADIJI


2.2. Le code ASCII

Le code ASCII (American Standard Code for Information Interchange) est l’un des

codes les plus utilisés en informatique. L’ASCII standard représente chaque caractère

sur 7 bits, on peut donc avoir seulement 128 caractères possibles et on ne peut

représenter ni les caractères accentués ( é, è, à, ê, ù…), ni d’autres caractères de

contrôles (NUL, STX, …) ce qui a fait naître le code ASCII étendu utilisant 8 bits.

Déc. Binaire Carac. Déc. Binaire Carac. Déc. Binaire Carac. Déc. Binaire Carac.

0 0000000 32 0100000 ESPACE 64 1000000 @ 96 1100000 `

1 0000001 33 0100001 ! 65 1000001 A 97 1100001 a

2 0000010 34 0100010 “ 66 1000010 B 98 1100010 b

3 0000011 35 0100011 # 67 1000011 C 99 1100011 c

4 0000100 36 0100100 $ 68 1000100 D 100 1100100 d

5 0000101 37 0100101 % 69 1000101 E 101 1100101 e

6 0000110 38 0100110 & 70 1000110 F 102 1100110 f

7 0000111 39 0100111 ‘ 71 1000111 G 103 1100111 g

8 0001000 40 0101000 ( 72 1001000 H 104 1101000 h

9 0001001 41 0101001 ) 73 1001001 I 105 1101001 i

10 0001010 42 0101010 * 74 1001010 J 106 1101010 j

11 0001011 43 0101011 + 75 1001011 K 107 1101011 k

12 0001100 44 0101100 , 76 1001100 L 108 1101100 l

13 0001101 45 0101101 - 77 1001101 M 109 1101101 m

14 0001110 46 0101110 . 78 1001110 N 110 1101110 n

15 0001111 47 0101111 / 79 1001111 O 111 1101111 o

16 0010000 48 0110000 0 80 1010000 P 112 1110000 p

17 0010001 49 0110001 1 81 1010001 Q 113 1110001 q

18 0010010 50 0110010 2 82 1010010 R 114 1110010 r

19 0010011 51 0110011 3 83 1010011 S 115 1110011 s

20 0010100 52 0110100 4 84 1010100 T 116 1110100 t

21 0010101 53 0110101 5 85 1010101 U 117 1110101 u

22 0010110 54 0110110 6 86 1010110 V 118 1110110 v

23 0010111 55 0110111 7 87 1010111 W 119 1110111 w

24 0011000 56 0111000 8 88 1011000 X 120 1111000 x

25 0011001 57 0111001 9 89 1011001 Y 121 1111001 y

26 0011010 58 0111010 : 90 1011010 Z 122 1111010 z

27 0011011 59 0111011 ; 91 1011011 [ 123 1111011

28 0011100 60 0111100 < 92 1011100 \ 124 1111100 |

29 0011101 61 0111101 = 93 1011101 ] 125 1111101

30 0011110 62 0111110 > 94 1011110 ^ 126 1111110 ~

31 0011111 63 0111111 ? 95 1011111 _ 127 1111111

Notons encore que pour d’autres langues (arabes, chinois,…), d’autres codages

existent utilisant 16 bits par caractères tel que le code UNICODE (UNIversal CODE).

Tableau 2.2. Table ASCII Standard (sur 7 bits)


ISET-SFAX 27

3.Codage des nombres entiers

Dans la vie courante, nous utilisons différents types de nombres : les nombres

naturels, les nombres relatifs, les nombres rationnels, les nombres réels, ainsi que

différentes formes de représentations de ceux-ci.

3.1. Système décimal

Pour ce système, on a besoin des chiffres de 0 à 9 pour écrire tous les naturels. On dit

que DIX est la BASE de ce système de numération.

Il s’agit d’un code PONDERE c’est à dire chaque chiffre décimal acquiert un POIDS

lié à sa position dans l’écriture du nombre.

Le POIDS vaut : 10r, où r est le RANG du chiffre (r=0 à droite, chiffre des unités).

Exemple :

1997 = 1x103 + 9x102 + 9x101 + 9x100

N° RANG : 3 2 1 0 Correspond à l’exposant

POIDS : 1000 100 10 1 Valeur du chiffre

3.2. Cas général : BASE B

Soit B un entier naturel dans N* \ {1}

On appelle système de numération pondérée à base B, la donnée de B symboles

différents appelés CHIFFRES, affectés à la notation des premiers naturels de 0 à B-1.

L’adoption de la règle d’écriture des naturels à partir de B par pondération suivant les

puissances, définie par :

Le chiffre de droite, de rang 0, a le poids B0 = 1

Tout chiffre à gauche d’un chiffre I a un poids B fois supérieures à celui de I

Exemple :

Trouver l’écriture décimale du nombre : 123 (B)

123 (B) = 1xB2 + 2xB1 + 3xB0 (10)

28 Mondher HADIJI


3.3. Numération binaire

Chaque information traitée par l’ordinateur est définie par un ensemble fini

d’informations simples à deux états possibles, représentées par un chiffre 1 ou 0 : des

bits (BIT : Binary digIT).

Avec 1 bit, on a 2 valeurs possibles : 0 et 1 ;

Avec 2 bits, on a 4 valeurs possibles : 00, 01, 10 et 11 ;

Avec 3 bits, on a 8 valeurs possibles : 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 et 111 ;

…

les unités employées

Préfixe Symbole Valeur en

octets

Valeur possible Valeur

approximative

Quartet Quartet ½

Octet (Byte) O 1

Kilo octet K 10 210 103

Méga octet M 20 220 106

Giga octet G 30 230 109

Tétra octet T 40 240 1012

Péta octet P 50 250 1015

Exa octet E 60 260 1018

Tableau de conversion binaire-décimale

Binaire Décimale

0 0 1 1

10 2 11 3

100 4 101 5 110 6 111 7

1000 8 1001 9

Tableau 2.3. Unités employées

Tableau 2.4. Conversion binaire-décimale


ISET-SFAX 29

3.4. Numération octale

Pour ce système de numération, on a besoin des chiffres de 0 à 7

Exemple

53(8) = 5x81 + 3x80 = 43(10)

Tableau de conversion octale-décimale

Octale Décimale

0 0

1 1

2 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 7

10 8

11 9

3.5. Base seize (hexadécimal)

Pour ce système de numération on a besoin de 16 symboles qui sont :

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F où

A est égale à 10 dans la base décimale ;

B est égale à 11 dans la base décimale ;

C est égale à 12 dans la base décimale ;

D est égale à 13 dans la base décimale ;

E est égale à 14 dans la base décimale et

F est égale à 15 dans la base décimale .

Exemple

B7(16) = 11x161 + 7x160 = 183(10)

Tableau 2.5. Conversion octale-décimale

30 Mondher HADIJI


Table de correspondance

Binaire Hexadécimale Décimale

0000 0 0

0001 1 1

0010 2 2

0011 3 3

0100 4 4

0101 5 5

0110 6 6

0111 7 7

1000 8 8

1001 9 9

1010 A 10

1011 B 11

1100 C 12

1101 D 13

1110 E 14

1111 F 15

3.6. Autres bases de représentation

3.6.1. Code DCB (Décimal Code en Binaire)

Le code DCB ou BCD (Binary Coded Decimal) consiste à remplacer chaque chiffre

décimal du nombre par sa codification sur 4 bits en binaire

Exemple

1 9 7 5 en décimal

0001 1001 0111 0101 en DCB

Le code DCB 8-4-2-1 permet une implémentation des additions simples à l’aide de

l’addition duale présentée ci-dessous : les bits de même Quartet sont additionnés dans

un premier temps comme s’il s’agissait d’un nombre binaire. Ensuite, on contrôle les

valeurs des Quartets et on ajoute la valeur 6 chaque fois que la valeur d’un Quartet

dépasse 9.

Tableau 2.6. Table de correspondance


ISET-SFAX 31

Exemple

125 0001 0010 0101

+

628 0110 0010 1000

0111 0100 1101

= + 0000 0000 0110

753 0111 0101 0011

3.6.2. Code majoré de trois

Le code majoré de trois d’un nombre décimal se trouve de la même manière que le

code DCB, sauf qu’on ajoute 3 à chaque chiffre décimal avant d’opérer la conversion.

Exemple

On veut convertir le nombre décimal 48 en code majoré de 3. Tout d’abord, on ajoute

3 aux deux chiffres 4 et 8, on obtient 7 et 11. Puis, on convertit ces deux chiffres en

décimal sur 4 positions. Le résultat calculé est :

48(10) = 0111 1011 en code majoré de 3

4. Changement de base

4.1. Passage de la base B vers la base DIX

Soit N(10) = an-1…a1a0 (B)

N(10) = an-1xBn-1 + … + a1xB1 + a0xB0

Exemples

B=2 : 100101(2) = 1x25 + 0x24 + 0x23 + 1x22 + 0x21 + 1x20

= 37(10)

B=16 : A3D(16) = 10x162 + 3x161 + 13x160

= 2621(10)

32 Mondher HADIJI


4.2. Passage de la base DIX vers la base B

4.2.1. Première méthode

Elle consiste à soustraire successivement la plus grande puissance de B :

Exemples

De la base 10 vers base 2

363(10) = 1x28 + 1x26 + 1x25 + 1x23 + 1x21 +1x20

= 101101011(2)


363(16) = 1x162 + 6x161 + 11x160

= 16B(16)

4.2.2. Deuxième méthode

Elle consiste à diviser par B autant de fois que cela est nécessaire pour obtenir un

quotient nul, on écrit les restes dans l’ordre inverse où ils sont obtenus.

Exemples


145(10) = 10010001(2)


145(10) = 91(16)

145 2 1 72 2 0 36 2 0 18 2 0 9 2 1 4 2 0 2 2 0 1 2 1 0

145 16 1 9 16 9 0


ISET-SFAX 33

4.3.Passage de la base 2n vers la base 2 et de la base 2 vers

base 2n

A l’aide de n (sur n positions), on convertit chaque chiffre en base 2 et on juxtapose

les résultats.

Exemples

De la base 16 = 24 vers la base 2

3 A 9 dans la base 16

0011 1010 1001 dans la base 2

Donc 3A9(16) = 001110101001(2)

De la base 8 = 23 vers la base 2

2 6 4 dans la base 8

010 110 100 dans la base 2

Donc 264(8) = 010110100(2)

Dans la conversion inverse, on découpe le nombre binaire en tranches de n chiffres

que l’on convertit.

Exemples

n = 4 (24 =16) 0011 1010 1001 dans la base 2

3 A 9 dans la base 16

n = 3 (23 = 8) 010 110 100 dans la base 2

2 6 4 dans la base 8

4.4. Passage de la base i vers la base j

Si i et j sont tous les deux des puissances de 2, on utilise la base 2 comme base

intermédiaire pour la conversion : i 2 j

Si i et j ne sont pas tous les deux des puissances de 2, on utilise la base 10 comme

base intermédiaire pour la conversion : i 10 j

34 Mondher HADIJI


5.L’arithmétique binaire

5.1. Les 4 opérations arithmétiques usuelles

Elles s’effectuent selon les mêmes règles que dans le système décimal. Ces règles

caractérisent en fait la numération de position.

Il suffit de connaître les tables d’addition, de soustraction, de multiplication et de

division :

Addition Retenue Soustraction Retenue Multiplication Division Quotient Reste

0 +0 = 0

0 +1 = 1

1 +0 = 1

1 +1 = 0

0

0

0

1

0 – 0 = 0

0 – 1 = 1

1 – 0 = 1

1 – 1 = 0

0

1

0

0

0 x 0 = 0

0 x 1 = 0

1 x 0 = 0

1 x 1 = 1

0 : 0

0 : 1

1 : 0

1 : 1

Imp.

0

Imp.

1

0

0

5.2. Les nombres négatifs

5.2.1. Représentation avec la valeur absolue et le signe

On sacrifie d’un bit dont le poids et le plus fort pour représenter le signe.

Normalement, 0 est le code du signe +, 1 est celui du signe -.

On peut ainsi, avec un mot de k bits, coder les entiers positifs ou négatifs N tels que :

-(2k-1 -1)


ISET-SFAX 35

Remarque

Cette représentation a plusieurs inconvénients :

- Deux codages différents pour le nombre 0 : 00000000 et 10000000, soit +0 et –0 ;

- On est obligé de bien distinguer les 4 cas différents pour le nombre avec signe (+/+,

+/-, -/+, -/-). Il n’est pas possible, entre autre, de réaliser une soustraction comme une

addition de la négation du deuxième opérande.

Exemple Sur un octet :

45-35 : [00101101] 45

+[10100011] -35

[11010000] -80 ???

5.2.2. Représentation par le complément restreint (complément à 1)

- On calcule le complément logique (complément à 1) d’un nombre X noté CR(X), en

remplaçant, pour les valeurs négatives, chaque bit à 0 par 1 et vice versa.

Exemple

Par exemple sur un octet :

+1 = 00000001 -1 = 11111110

+0 = 00000000 -0 = 11111111

Remarques

- On a deux représentations de zéro

- Si n est le nombre de bit de X, on a X + CR(X) = 2n –1

Exemple

Si X = 1101

CR(X) = 0010

X+CR(X) = 1101+0010=1111=(15)10 = 24 –1

On en déduit que -X = CR(X) + 1 – 2n

5.2.3. Représentation par le complément vrai (complément à 2)

C’est la représentation la plus utilisée, on l’obtient en ajoutant +1 au complément

restreint. Elle simplifie l’addition et la soustraction et donne une seule représentation

de zéro.

36 Mondher HADIJI


Un nombre positif de n bits, les n-1 bits de poids faible représente la valeur en binaire

naturel comme un nombre sans signe. Le nième bit de poids fort est à 0 et représente le

signe +. Par définition, le nombre opposé d’un nombre positif donné, s’obtient en

prenant le complément à 2 du nombre positif. Avec n bits, on peut représenter les

nombres positifs de 0 à 2n-1 –1 et des nombres négatifs de –1 à –2n-1. les nombres

négatifs se caractérisent par un bit de signe à 1.

CV(X) = CR(X) + 1

Exemple

La valeur de code en complément à 2 pour –35 sur un octet:

35 00100011

CR(00100011) : 11011100

CV(00100011) = CR(00100011) +1=11011101 -35

D’un point de vue mathématique, on représente les nombres entiers par une

arithmétique modulo 2n, où les représentants sont choisis dans l’intervalle [-2n-1, 2n-1[

Exemple

sur 4 bits l’intervalle est [-23, 23[ en complément à 2

Chaîne de bits Entier positif Complément à 2

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15

0 1 2 3 4 5 6 7 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1

Remarque

De la relation X + CR(X) = 2n – 1, on déduit CV(X) = 2n – X et CV(CV(X)) = X


ISET-SFAX 37

5.2.4. Problèmes liés à la longueur des nombres

5.2.4.1.Addition de deux nombres positifs

Soit deux nombres A et B à quatre éléments binaires, la somme de a1 et b1 donne un

résultat partiel S1 et une retenue r1. On forme alors la somme de r1, a2 et b2 pour

obtenir la somme partielle S2 et la retenue r2 et ainsi de suite.

Exemple

Addition de +7 et +5 sur 5 bits :

1 retenue 1 1 1 retenues

+ 7 0 0 1 1 1

+ 5 0 0 1 0 1

+12 0 1 1 0 0

Remarque

En ajoutant 2 nombres positifs (bit de signe est égal à 0) on peut obtenir un résultat

dont le bit de signe est 1 bien que le résultat soit positif , si le résultat est hors de

l’intervalle autorisé.

Par exemple si on effectue l’opération de l’addition de +49 et +88 sur 8 bits on

obtient : 00110001 + 01011000 = 1001001

On remarque que le 8ème bit est à 1 : donc il y a un dépassement de capacité. Pour

cela, les calculateurs utilisent un indicateur de dépassement de capacité (Overflow

Flag) .

Nombre A a4 a3 a2 a1

Nombre B b4 b3 b2 b1

Somme A+B s4 s3 s2 s1

Retenues r4 r3 r2 r1

38 Mondher HADIJI


5.2.4.2.Addition des entiers signés

5.2.4.2.1. Avec le complément restreint

La soustraction est obtenue par simple addition des deux opérandes mais la retenue du

poids le plus fort est ensuite ajoutée au résultat

Exemples

- Sur 5 bits : +7-14

+7 0 0 1 1 1

-14 1 0 0 0 1 complément à 1 de 01110

-7 1 1 0 0 0 qui est –7 en complément à 1

- Sur 5 bits : -4-3

-4 1 1 0 1 1 complément à 1 de 00100

-3 1 1 1 0 0 complément à 1 de 00011

-7 1 1 0 1 1 1

1

1 1 0 0 0 qui est –7 en complément à 1

On note que si la retenue de signe apparaît, il faut l’ajouter au résultat de l’addition

algébrique pour obtenir le résultat correct.

5.2.4.2.2. Avec le complément vraie

La soustraction est obtenue par simple addition des deux opérandes en ne tenant pas

compte de la retenue du poids le plus fort.

Exemples

- Sur 5 bits : +7-14

+7 0 0 1 1 1

-14 1 0 0 1 0 complément à 2 de 01110

-7 1 1 0 0 1 qui est –7 en complément à 2

- Sur 5 bits : -4-3

-4 1 1 1 0 0 complément à 2 de 00100

-3 1 1 1 0 1 complément à 2 de 00011

-7 1 1 1 0 0 1

à rejeter


ISET-SFAX 39

6.Les nombres réels

En base B, un nombre réel qui s’écrit abc,def vaut :

abc,def (B) = a x B2 + b x B1 + c x B0 + d/B1 + e/B2 + f/B3(10)

Exemples

- 12,31(5) = 51 + 2x50 +3/51 + 1/52 = 7,64(10)

- 1101,11(2) = 23 + 22 + 20 + 1/21 + 1/22 = 13,75(10)

Inversement, exemple de conversion en système octal :

634,328125(10) = ? (8)

634(10) = 1172(8)

0,328125 x 8

2 , 625 2 0,625

x 8 5 , 0 5

0,328125 (10) = 0,25 (8) d’où 634,328125(10) = 1172,25(8)

6.1. Représentation en virgule fixe

Un nombre de n bits est partagé en deux parties dont l’une correspond aux valeurs

entières, l’autre aux valeurs fractionnaires. La virgule n’est pas matérialisée

réellement comme le signe, mais se trouve fictivement entre les deux zones entières et

fractionnaires. La position de la virgule est fixée par l’utilisateur en fonction de ses

besoins.

634 8 2 79 8 7 9 8 1 1 8 1 0

40 Mondher HADIJI


Exemple

Supposons que sur 8 bits : 1 bit pour le signe, 5 bits pour la zone entière et 2 bits pour

la zone fractionnaire

Signe Valeur entière(CR) Valeur fractionnaire(CV) Valeur décimale

0

0

0

0

1

1

1

00111

00110

00000

00000

11111

00110

11000

11

10

01

00

11

10

01

7,75

6,5

0,25

0

-0.25

-25,5

-7,75

6.2. Représentation en virgule flottante

Elle s’écrit sous la forme N = M x BE

Où B : est la base du système numérique utilisé

M : est la mantisse qui est de la forme 0,d1d2d3…..dm avec d1 0

E : est l’exposant

Les codages utilisés par différents ordinateurs et langage de programmation ne sont

pas uniformisés. Ce n’est que dans les tout derniers temps que l’on observe une

convergence vers le standard IEEE74 (Institute of Electrical and Electronics

Engineers 74). On va étudier un peu plus en détail ci-dessous la version « single

precision » de ce standard qui est utilisée par les processeurs d’Intel.

Dans la version de précision simple, on utilise 32 bits pour la représentation d’un

nombre réel. 23 bits sont réservés pour la mantisse, un bit pour le signe et les 8 bits

restants sont utilisés pour l’exposant.

Signe : 1 bit

Exposant : 8 bits Mantisse : 23 bits


ISET-SFAX 41

Exemple

Représenter selon le standard IEEE74 le nombre 0,0001011101101(2)

0,0001011101101 = 0,1011101101 x 2-3

D’où la représentation de 0,0001011101101(2) selon le standard IEEE74 est :

1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

LES MICROPROCESSEURS

Objectifs


Définir le microprocesseur et présenter ses caractéristiques

Expliquer le rôle des principales unités du Microprocesseur et présenter leurs

interactions

Présenter les modèles de microprocesseur les plus répondus

Durée approximative de ce chapitre : 15 heures


1. Introduction………………………………………………..………….45 2. Définitions………………………..………………………………..….45 3. Caractéristiques des processeurs……….................................….47 4. Les principales unités du Microprocesseur..………………...48 5. Exécution d'une instruction………………………………............63 6. Modèles de microprocesseurs………..............................……….67

44 Mondher HADIJI

Chapitre 3 Microprocesseurs


ISET-SFAX 45

1. Introduction

Dans ce chapitre nous aborderons un des plus importants composants de l'ordinateur, il

s'agit du microprocesseur, qui interagit avec d'autres éléments de l'unité centrale pour

exécuter les programmes utilisateur.

Quand on parle du microprocesseur dún ordinateur, on pense au Pentium II,et III,.. dÍntel,

au K6, ATHLON,… dÁ.M.D, mais en réalité, il existe de nombreux microprocesseurs

dans votre ordinateur. Ils gèrent votre carte son, votre carte graphique ou encore réseau.

Ces microprocesseurs-là sont dits spécialisés ou gestionnaire de carte.

2. Définitions

Le microprocesseur (L’unité centrale de traitement (UCT) ou processeur central [

Central Processing Unit = CPU] ) :

C'est l’organe (le circuit) qui se charge de manipuler les données (i.e. calculer) mais c'est

aussi le " chef d'orchestre " de la machine : Il pilote et distribue les tâches

Il est capable de recevoir des informations de n’importe quel élément de l’ordinateur, de

les traduire et de les renvoyer vers un autre.

Il permet : d’exécuter les instructions, d’effectuer des calculs et de contrôler le

fonctionnement de l’ordinateur.

Il est composé principalement dún seul élément de base, le transistor découvert en 1948.

Cést en les assemblant par million, selon une organisation précise, que lón peut créer des

commandes qui exécuteront une addition, une comparaison entre deux données, etc.

La mémoire centrale (Instructions , Données)

Le microprocesseur

La mémoire auxiliaire (Disque, CD, DVD…)

Les Interfaces d’entrées

Les Interfaces de sorties

Bus

Bus

Bus

Bus

Figure 3.1. Microprocesseur et composants associés

Entrées Sorties

46 Mondher HADIJI


Il est connecté à la carte mère par le biais d’un slot ou d’un socket.

Mémoires :

Les mémoires représentent tous dispositifs capable de sauvegarder une information

Bus :

Les différentes unités de l’ordinateur sont interconnectés par un système de câblage qui

transporte les signaux électriques. Ce système est appelé bus par analogie avec le transport

public.

Instructions :

Ecrites en langage machine, les instructions représentent les opérations effectuées par un

ordinateur. Une instruction est composée de :

Code de l’opération à effectuer

Opérandes impliqués dans l’opération.

On peut distinguer différents types d’instructions :

- Instruction de manipulation de l’information ou de traitement : opération arithmétiques et

logiques

- Instruction de rupture de séquence : opération pour exécuter un branchement

conditionnel, une répétition, saut de programme ou de traitement, appel de fonction

- Instruction d’échange et d’E/S: dialogue entre le microprocesseur et l’unité périphérique

sélectionner : par exemple imprimer

- Instruction de contrôle système : réservées à un mode d’exécution privilégié

( pour l’utilisation du Système d’Exploitation)

Données :

Les données sont les opérandes sur lesquels portes les opérations (traitements), ou

produits par celles-ci.

Une addition, par exemple, peut s’appliquer à 2 opérandes, donnant un résultat qui est la

somme des 2 opérandes.

On distingue les données numériques, pouvant être l’objet d’une opération arithmétique,

des données non numériques, par exemple, les symboles constituant un texte.

a. Données non numériques

Les données non numériques correspondent aux caractères alphanumériques: A, B, C, ...Z,

a, b, c,...z, 0, 1, 2,...9... et aux caractères spéciaux : ?,!, »;...


ISET-SFAX 47

b. Données numériques

Les données numériques sont de différents types:

- nombres entiers positifs ou nuls: 0, 1,315...

- nombres entiers négatifs: -1.-1255...

- nombres fractionnaires: 3.1415, -0.5...

- nombres en notation scientifiques : 4.9x 107, 1023

Etapes de création et d’exécution d’un programme :

3. Caractéristiques des processeurs Les processeurs se distinguent essentiellement par les critères suivants:

3.1. Architecture

Son architecture change d’un microprocesseur à un autre

Exemples :

Présence ou non d'une mémoire cache ainsi que sa taille,

Présence ou non d'une unité de calcul numérique en virgule flottante, etc.

3.2. La taille du bus externe

c’est la taille des données qu'ils manipulent

Exemple :

Un caractère est représenté sur 8bits donc avec un bus externe de 64 bits, 8 caractères

peuvent être envoyés simultanément, alors qu'avec un bus de 16 bits il faudra quatre

opérations pour effectuer le même transfert.

3.3. La taille du bus d'adresses

C’est l'espace mémoire adressable

Algorithme & description des données

Programme en langage évolué (Basic,Pascal..)

Programme exécutable

Résultats

Le programmeur Le programme compilateur

Le microprocesseur

Traduction Compilation Exécution

48 Mondher HADIJI


Exemple : pour un bus d'adresses de 20 bits, on peut avoir (adresser) 220 de mémoire

physique

3.4. La fréquence interne et la fréquence externe

La fréquence externe :

Elle correspond à la fréquence de la carte mère.

La fréquence interne :

La vitesse à laquelle il peut communiquer avec ses composants. Elle correspond à la

fréquence externe multipliée par un coefficient. Cette fréquence est obtenue en multipliant

celle de la carte mère par un facteur compris entre 1.5 et k (k est une constante qui change

d’une carte mère à une autre) avec des valeurs intermédiaire ayant un pas de 0.5.

Quand on parle d'un microprocesseur de 1.6 Giga Hertz (GHz), on veut dire par là que le

processeur exécute 1600 millions d'instructions par seconde et que sa fréquence interne

égale à 1.6GHZ

3.5. Présence de mémoire Cache

La mémoire cache a pour rôle d'optimiser l'accès aux informations que le processeur a

besoin.

La présence et la taille d'une mémoire cache interne est l'un des critères de performance

les plus importants d'un microprocesseur.

4. Les principales unités du Microprocesseur

Le microprocesseur est composé de plusieurs unités qui travaillent en parallèle : c’est le

principe de pipeline.

Toutes les unités ne sont pas présentes sur tous les modèles.

Exemples :

L'unité de calcul en virgule flottante (l'unité chargée des calculs arithmétiques

complexes) n'est pas active sur les processeurs 486SX.

L’unité de Multimédia n'a fait son apparition qu'avec le Pentium.


ISET-SFAX 49

4.1. Notions d’Horloge et Pipeline

4.1.1. Le rôle de l’horloge

L’horloge est pilotée par des oscillateurs à quartz. Elle envoie des signaux (des impulsions

électriques) pour enchaîner les commandes élémentaires au microprocesseur. L’intervalle

de temps entre deux impulsions consécultifs représente le temps de cycle ou la période de

l’horloge.

Le microprocesseur est chargé d’exécuter les diverses instructions d’un programme le plus

rapidement possible. Afin d’augmenter ces performances la solution consiste à augmenter

la fréquence d’horloge du microprocesseur : c’est pour cela la fréquence de l’horloge a

passé de 4.77Mhz pour les premiers microprocesseurs à plus que 3Ghz.

4.1.2. Pipeline

La technique pipeline (ou anticipation dans le processeur) repose sur le découpage de

l’instruction en sous ensembles logiques élémentaires ou micro-opérations de longueur

fixe, de type chargement, décodage, exécution, rangement. Par exemple avec Intel Pentuim,

on distinque 5 phases :

Dans un tel pipêline on peut traiter cinq instructions simultanément. Ainsi, pendant que

l’on traite la phase de rangement, on peut exécuter en même temps la phase d’exécution de

f1 f2 f3 f4

1 cycle pour f1

Oscillateurs à Quartz

Horloge

Fréquence destinée au processeur central

Figure 3.2. L’horloge

Chargement Décodage Adressage Exécution Rangement





En cours d’exécution

50 Mondher HADIJI


l’instruction suivante, la phase de génération des adresses de la troisième instruction, la

phase de décodage de la quatième instruction et la phase de chargment de la cinquième

instruction…

A chaque cycle d’horloge, le processeur fait ainsi avancer l’instruction en cours d’une

action élémentaire et commence une nouvelle instruction

Exemple : Pour comparer le fonctionnement d’une laverie en mode séquentiel et pipeline

A, B, C et D ont chacun du linge à Nettoyer(30mn), Sécher(40mn), Repasser(20mn)

La laverie est composée donc de 3unités : une unité pour nettoyer le linge, une deuxième

unité pour sécher le linge et une troisième pour le repasser.

Fonctionnement séquentiel :

Linge A N S R Linge B N S R Linge C N S R Linge D N S R

Durée : (30mn + 40mn + 20mn)*4 =360mn

Fonctionnement parallèle :

Durée : 30mn + 40mn + 40mn+40mn+40mn+20mn =210mn

30 40 20

30 40 20

30 40 20

30 40 20

Linge A

Linge B

Linge C

Linge D N S R

N S R

N S R

N S R

Les

Tac

hes

30 40 20 30 40 20 30 40 20 30 40 20

Les

Tac

hes

Temps

Temps


ISET-SFAX 51

4.2. Unité de commande ou unité de contrôle

Ensemble de dispositifs coordonnant le fonctionnement de l’ordinateur afin de lui faire

exécuter la suite d’opérations spécifiées dans les instructions du programme.

Séquenceur : c’est le composant essentiel de cette unité génère les signaux de commande

nécessaire pour actionner et contrôler les unités participantes à l’exécution d’une

instruction donnée.

Registre : est une mémoire temporaire rapide se trouvant dans le processeur et il est

composé de un ou plusieurs cases mémoire.

Registre d’instruction : Contient l’instruction en cours d’exécution

Compteur ordinal : Indique l’adresse de la prochaine instruction a exécuté

Registre d’état : c’est un registre indicateur d’état du programme

4.3. Unité de mémoire cache

La mémoire cache a pour fonction de stocker les instructions ou données les plus

souvent utilisées. La raison est qu´elle est plus rapide que la mémoire R.A.M. Grâce à cette

mémoire, l’exécution des programmes est plus rapides.

Registre d’état Séquenceur

Horloge Registre

d’instruction Compteur

ordinal

Mémoire

Partie du processeur

bus de données bus d’adresse

décodage

Figure3.3. Interaction entre l’unité de commande et la mémoire

52 Mondher HADIJI


Les performances du processeur sont étroitement liées à la mémoire cache de niveau1

(Level1), puisqu'il y a une autre (de niveau2 et de niveau3) sur la carte mère.

La taille de la mémoire cache de niveau 1 est de l'ordre des kilo octets ( de 32 ko à 256 ko

en fonction du microprocesseur).

4.4. Unités d’exécutions

4.4.1. Lúnité arithmétique et logique U.A.L

Cést la plus importante unité : tous les programmes lútilisent ,elle existe depuis que les

ordinateurs existent. Mais elle ne sóccupe que des calculs simples et sur des nombres

entiers.

Généralement on trouve au moins deux (à partir du Pentium), ce qui permet de traiter

jusqu’à deux instructions par cycle d’horloge. L’UAL contient tous les circuits

électroniques qui réalisent effectivement les opérations désirées.

C’est en effet, l’UAL qui exécute les additions, les soustractions et toutes les opérations

simple sur ses entrées, et qui produit un résultat placé dans le registre de sortie.

1er opérande

A B

UAL

A+B

Registre d ’entrée de l’UAL 2ème

opérande

Commandes

Registre d’état

Registre de sortie de l’UAL

Registre Accumulateur

Figure 3.4. L’unité arithmétique et logique


ISET-SFAX 53

4.4.2. Lúnité de calcul flottant (ou F.P.U Floating Point Unit)

A lórigine, c´était un processeur indépendant (série des 8087, 80287, 80387). Elle a été

intégrée au microprocesseur en 1989 pour optimiser les calculs.

Cette unité est capable de calculer non seulement des entiers mais aussi des nombres à

virgule (des réels).

De plus, elle réalise des opérations sur les racines carrées, les sinus, etc.

4.4.3. L´ unité multimédia

Il ný a pas de standardisation. Les microprocesseurs pour PC ont vu la première unité

multimédia avec le MMX, puis le 3DNow dÁ.M.D, le SSE sur les Pentium IV. Elles ont

pour fonction dóptimiser les programmes multimédia (son, graphique 3D, audio, vidéo).

4.5. Unités de Segmentation et de Pagination

Elles traduisent les adresses logiques(telles qu'elles sont manipulées par les programmes)

en adresses physiques(correspondants à des adresses réelles en mémoire).

4.6. Unité d'interface de Bus

Elle gère tous les échanges entre le microprocesseur et tous les autres composants reliés

par l'intermédiaire de bus.

4.7. Unité d'anticipation

Elle s'occupe d'aller tout d’abord chercher en mémoire cache interne du processeur les

instructions à exécuter. Si elles ne s'y trouvent pas, l'unité d'anticipation s'adresse à l'unité

d'interface du bus afin qu'elles soient lus dans la mémoire centrale.

Adresses logiques

Unités de Segmentation

et de Pagination

Adresses physiques

Figure 3.5. Rôle des unités de segmentation et de pagination

54 Mondher HADIJI


Lors de cette opération, le contenu de l’adresse cherchée en mémoire est lu également et

placé dans la mémoire cache du processeur.

De cette façon, les prochaines instructions recherchées seront disponibles plus

rapidement(à condition que le contenu ne pas modifié d'ici là).

4.8. Unité queue (File d ‘Attente)

L'unité d'anticipation place l'instruction dans une queue et s'occupe d'aller chercher la

suivante. Grâce à ce dispositif, les unités d'exécutions n'ont pratiquement jamais d'attendre

que les instructions à exécuter leurs soient amenées(cela peut cependant se produire si une

série d'instructions très rapides à exécuter se présente).

A l'inverse, si les instructions demandent un temps d'exécution important, la queue se

remplie. Dans ce cas l'unité d'anticipation cesse de travailler jusqu'à ce que de l'espace se

libère pour de nouvelles instructions.

4.9. Unité de décodage

Elle traduit les instructions se trouvant dans la queue, en une forme compréhensible par

l'unité d'exécution puis les passe à l'unité de contrôle.

Exemple :

Soit un microprocesseur dont le format d’une instruction à deux adresses est le suivant :

Unité de

mémoire

cache

Unité

d’anticipation

Unité

d’interface

bus

Mémoire

centrale

Recherche dans la cache

Réponse négative

Aller chercher à partir de la MC

Contenu des adresses(Bus de données)

Partie du microprocesseur

Figure 3.6. Rôle de l’unité d’anticipation


ISET-SFAX 55

Code opération (8bits) , 1ére adresse mémoire (16bits) et 2ème adresse mémoire

(16bits)

Le code d’une instruction d’addition de deux nombres en mémoire rassemblera à celui-ci

1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1

4.10. Les Registres

Un registre est un dispositif capable de mémoriser une information

Le nombre et le type des registres que possède le CPU sont une partie déterminante de

son architecture et ont une influence importante sur la programmation.

La structure des registres du CPU varie considérablement d’un constructeur à l’autre.

Nous allons décrire les registres les plus importants ainsi que leurs fonctions :

4.10.1. Registre tampon d’adresse

Il contient l’adresse mémoire de l’instruction qui est encours d’exécution. La taille du

registre d’adresse dépend de la taille du bus d'adresses qui détermine par conséquent le

nombre de cellules mémoire.

Exemple :

Avec 8 bits on peut adresser 28 (égale à 256) cellules mémoire.

Adresse mémoire de la première valeur à additionner

Adresse mémoire de la deuxième valeur à additionner

Unité de décodage

Addition des contenu De deux cases mémoire

56 Mondher HADIJI


4.10.2. Registre mot mémoire ou registre de données

Le mot mémoire : est composé d’une ou plusieurs case mémoire. Toute opération de

lecture ou d'écriture porte sur un mot mémoire.

Le registre de données contient le contenu du mot mémoire. La taille du registre mot

mémoire est égale à la taille du mot mémoire. La lecture et l'écriture dans la mémoire se

fait de la façon suivante :

Pour la lecture : on met dans le registre adresse l’adresse du mot mémoire.

Le dispositif de sélection et d’accès permet de transférer le contenu du mot mémoire dans

le registre mot mémoire.

Pour l’écriture : le registre d’adresse contient l’adresse du mot dans lequel on va écrire

le contenu du registre mot mémoire.

L’opération de lecture ne détruit pas le contenu de l’emplacement, par contre l’écriture

détruit l’emplacement de l’information précédente.

4.10.3. Le Compteur ordinal C.O (pointeur de programme PC)

Il contient l'adresse en mémoire de la prochaine instruction à exécuter. L'unité de

commande incrémente le compteur ordinal (PC) du nombre d'octets sur lequel l'instruction,

en cours d'exécution, est codée. Le compteur ordinal contiendra alors l'adresse de

l'instruction suivante.

Registre d’adresse

Dispositif de sélection et d’accès

à la mémoire

mot 0

mot 1

mot 2

Registre mot mémoire ou registre de données

Adresse Sélection

Ecriture Lecture

Mémoire

Figure 3.7. Rôle du registre mot mémoire


ISET-SFAX 57

Exemple :

Hypothèses : La mémoire est organisée en octet (cellule mémoire)

Le bus d’adresses est de 20 bits

Le bus de données est de 16bits (mot mémoire)

Le compteur ordinal contient l’adresse (PC)=10000H ;

Il pointe la mémoire a l’adresse 10000H qui contient l'instruction MOV C,B

MOV C,B est codée sur deux octets (89 D9H) ;

L'unité de commande incrémentera de deux le contenu du PC : (PC) = 10002H (la

mémoire sera supposée être organisée en octets).

Le RI contient l’instruction 89D9H

4.10.4. Registre instruction (RI)

Il contient l’instruction en cours d’exécution. Lorsque le CPU cherche une instruction il la

place dans RI. Une instruction est composée par :

Code opération : représente la nature de l’opération à effectuer par le microprocesseur.

Zone adresse : contient les adresses en mémoire des opérandes (0, 1 et 2) qui

participent dans une opération, dans certains cas elle contient l’opérande même. Il

existe plusieurs modes d’adressages pour accéder aux données.

PC RI

MOV C,B

Instruction suivante :

(PC) + 2 = 10002H

…. 10000H 10001H 10002H 10003H …

89 MOV C,B D9

Programme

Microprocesseur Mémoire

Bus d’adresses

Bus de données

10000H 89D9H

58 Mondher HADIJI


Format des instructions :

On distingue six groupes d’instructions :

Transferts de données : de mémoires à registre, de registre à registre, de registre à

mémoires

Opérations arithmétiques : addition, soustraction, multiplication et division

Opérations logiques : ET, OU, NON, etc.

Contrôle de séquence : branchements conditionnels, appel de procédure, etc.

Entrées/sorties.

Manipulation diverses : incrémentation, etc.

Les modes d’adressage :

Un champ adresse peut permettre de référencer un registre ou un mot en mémoire. Il peut

contenir le numéro du registre ou

Architecture et Maintenance des Ordinateurs · ISET-SFAX 1 PLAN DU COURS: ARCHITECTURE ET...

Documents

Transcript of Architecture et Maintenance des Ordinateurs · ISET-SFAX 1 PLAN DU COURS: ARCHITECTURE ET...