ARCHITECTURE DES ORDINATEURS
GENERALITES
On appelle architecture d’un ordinateur l’ensemble des éléments constituants cet
ordinateur ainsi que l’organisation de la circulation des informations entre
ces éléments.
-Lorsqu’il s’agit de l’ensemble des éléments
électroniques composant cet ordinateur, on parle d’architecture physique
de l’ordinateur’
- Lorsqu’on s’intéresse seulement à la
circulation des informations dans les unités, on parle d’architecture
logique.
- Lorsqu’il s’agit enfin du jeu d’instruction et des
programmes, c’est l’architecture logicielle.
On distingue plusieurs types
d’architectures physiques parmi lesquelles :
-L’architecture de Harvard dans laquelle
il y a une séparation stricte entre les instructions et les données.
-L’architecture de Von Neumann dans
laquelle les données et instructions sont traitées de la même façon par le
processeur.
ELEMENTS CONSTITUANT L’ARCHITECTURE PHYSIQUE
DE L’ORDINATEUR
Les éléments constituants la
structure physique de l’ordinateur sont repartis en plusieurs unités :
-unités de traitement,
-unités de communication,
-unités d’entrée/sortie.
Ces différents éléments communiquent
entre eux à l’aide des bus.
UNITE DE TRAITEMENT
Le
processeur
Définitions :
Le
processeur est un circuit électronique qui est chargé d’exécuter les
instructions dans un ordinateur.
Il est également appelé CPU (Central
Processing Unit ou Unité Centrale de
Traitement).
Un microprocesseur est un
processeur miniaturisé.
Un microordinateur est un
ordinateur bâti autour d’un microprocesseur.
Microprocesseur
Intel
Caractéristiques :
Un microprocesseur est caractérisé
par :
·
La fréquence de
l’horloge : Elle désigne le nombre d’opérations effectuées par le processeur par
seconde. On l’appelle aussi cadence
du processeur.
-La fréquence d’horloge
s’exprime en Gigahertz (GHz) qui correspond à un milliard d’opérations effectuées par le processeur
par seconde, parfois aussi en Megahertz (MHz) qui correspond à un million d’opérations effectuées par le processeur par seconde.
-La fréquence d’horloge mesure le nombre
de cycles que le processeur exécute par seconde. Chaque instruction a besoin au moins d’un cycle
d’horloge qui est l’unité de base du temps du CPU d’un ordinateur. Il
représente une opération complète du CPU, y compris la lecture, le décodage,
l’exécution et le stockage des données.
Par exemple une vitesse d’horloge de 2,5GHz
signifie que le processeur peut effectuer 2,5 milliards de cycles d’horloge par
seconde. Plus la vitesse d’horloge est élevée, plus le nombre d’instructions
que processeur peut exécuter dans chaque période de temps est élevé.
·
Jeu
d’instructions : C’est l’ensemble des
instructions qu’un processeur est capable d’exécuter.
·
Le nombre de bits qu’il
peut traiter en parallèle :
Indique-la capacite du CPU à gérer des grandes quantités de mémoires. Par
exemple les processeurs 32 bits gèrent moins de mémoires que les processeurs 64
bits.
·
Nombre de cœurs :
Les processeurs multicœurs intègrent dans un même boitier plusieurs processeurs
qui permettent d’augmenter la puissance de calcul. Chaque cœur étant capable de
traiter des instructions individuellement.
Par exemple, le core duo intègre deux microprocesseurs dans un même
boitier.
·
Génération : C’est un terme utilisé pour catégoriser la récence
du processeur c.-à-d qu’il permet de savoir si le
processeur est récent ou pas.
·
Marque : Il
existe plusieurs marques de processeurs, les plus connus du grand public
sont :
-INTEL qui fabrique et commercialise les microprocesseurs :
X86 ; Cèlerons ; Pentiums ; Core2TMDuo, Intel Core i3, i5 et i7.
-AMD qui fabrique et commercialise les microprocesseurs Duron, Sempron, Athlon et Turion.
Les microprocesseurs PowerPC équipant les Macintosh sont d’IBM et MOTOROLA.
Structure interne du
processeur
Le
processeur se compose de deux unités :
-Unité Arithmétique et Logique (UAL) :
c’est l’organe du microprocesseur chargé d’effectuer les calculs arithmétiques
et logiques.
-Unité de commande et de contrôle
(UCC) : c’est l’unité de commande qui dirige le
fonctionnement de tous les autres éléments de l’unité centrale en leur envoyant
des signaux de commande.
Les mémoires
-les
mémoires volatiles qui perdent leur contenu lorsque l’ordinateur est
hors tension,
-les
mémoires permanentes qui conservent leurs données pour une longue
période.
Mémoire vive
La mémoire vive ou RAM (Random Access Memory, qui signifie mémoire à accès libre),
est utilisée par le processeur pour mémoriser les informations au moment du
traitement. Elle peut être lue et écrite à volonté. Le contenu de cette mémoire
se modifie au cours du travail en fonction des opérations effectuées. La
mémoire vive est une mémoire volatile.
-Les
mémoires dynamiques (DRAM, Dynamic Random
Access Memory), peu coûteuses. Elles sont principalement utilisées pour la
mémoire centrale de l’ordinateur.
-Les
mémoires statiques (SRAM, Static Random Access Memory), rapides et onéreuses. Les SRAM sont
notamment utilisés pour les mémoires caches du processeur.
·
Formats des RAM :
Les circuits peuvent être soudés sur une face
ou sur deux faces. On distingue les RAMs avec les
circuits soudés sur une face SIMM (Single In- line Memory Module) et les RAMs avec les circuits soudés sur deux faces DIMM (Dual In
–Line Memory Module)
Exemples :
SIMM 30 (30 indique le nombre de broches) et
SIMM 72 (72 indique le nombre de broches) étaient utilisées dans les anciens
PC ;
DIMM : Mémoires 64 bits actuellement
utilisées dans les ordinateurs individuels (PC). Ils possèdent des puces
mémoires de part et d’autre de la barrette.
SODIMM (Small Outline
Dual In-Line Memory Module est un modèle compact utilisé dans les portables.
Barrettes
mémoire RAM Slots de fixation de la RAM
Mémoire morte
La mémoire morte ou ROM (Read Only Memory),
qui signifie mémoire à lecture exclusive, est une mémoire dont on peut lire le
contenu mais dans laquelle on ne peut rien écrire. Le contenu de cette
mémoire, indélébile, a été enregistré une fois pour toute par leur fabricant en
créant ou non certaines connexions internes. La mémoire morte est non volatile
ou permanente. Elle est collée sur la carte mère de l’ordinateur.
Exemples :
Ø Le BIOS
Le BIOS
(Basic Input/Output System) c’est-à-dire Système d’entrées/ sorties de base est
une mémoire morte qui contient les programmes vitaux de démarrage de
l’ordinateur.
·
Rôles du BIOS :
-Il teste l’ordinateur avec son
programme POST (Power On Self Test) au démarrage.
-Il lance le système d’exploitation et
lui passe les commandes.
-Il acquiert et maintient les
informations de base sur les périphériques du système, etc.
·
Types de BIOS :
AMI BIOS, PHOENIX BIOS, AWARD BIOS…
Ø La CMOS (Complementary Metal
Oxid Silicon ou Circuits à transistors métal oxyde de
silicium en montage complémentaire)
C’est une mémoire permanente dans
laquelle le BIOS enregistre les caractéristiques principales de la
configuration du microordinateur (Set up).
Elle est maintenue active par une pile. Lorsque la pile est épuisée,
l’utilisateur est obligé à chaque fois de réintroduire les données concernant
la date, l’heure, les caractéristiques du disque dur, l’ordre du boot, etc.
Mémoire cache
C’est une mémoire intermédiaire
introduite entre la mémoire centrale et le microprocesseur. Elle permet au
microprocesseur de trouver vite les données à utiliser.
Lorsque la fréquence de travail du
microprocesseur s’accroît, le temps imparti à une lecture ou à une écriture en
mémoire ne suffit plus. La vitesse du microprocesseur étant largement
supérieure à celle des mémoires. Il s’en suit des temps d’attentes qui créent
une perte de temps considérable au microprocesseur. Pour éviter cette
importante perte de temps, on introduit un cache entre la mémoire centrale et
le microprocesseur. On l’appelle une antémémoire. Il s’agit d’un bloc de
mémoire RAM très rapides, cette fois, mais limité en raison de son coût. Cette
mémoire cache conserve les informations issues de la mémoire centrale.
On distingue :
-le
cache de niveau I (L1) : Il est intégré dans la puce du processeur donc
plus proche du processeur, de taille très petite, mais très rapide.
-le
cache de niveau II L2): il est souvent dans le même boitier
que le microprocesseur, de taille plus grande que L1 et un peu moins rapide que
L1.
-le
cache de niveau III (L3) : il est situé sur la carte mère, de taille
encore plus grande que L2 et encore moins rapide que le cache niveau II.
L’unité de mesure de la capacité des
mémoires est l’octet. Mais on utilise généralement le gigaoctet
(1Go=1073741820octets) et de plus en plus le téraoctet (1024Go).
Registres : Les
registres sont des emplacements de mémoires internes à un microprocesseur.
Ils permettent au microprocesseur de stocker les résultats intermédiaires des
opérations.
-L’accumulateur
qui est utilisé pour stocker les résultats des opérations de l’UAL.
-Le Registre d’instruction (RI) qui
contient l’instruction en cours d’exécution. Elle demeure dans ce registre
toute la durée de son exécution.
-Le registre adresse qui contient
l’adresse de la prochaine instruction à exécuter.
-Le compteur ordinal est un registre,
souvent nommé PC (Program counter) est un registre
qui contient l’adresse mémoire de la prochaine instruction à exécuter. Une fois
l’instruction chargée, il est automatiquement incrémenté pour pointer
l’instruction suivante.
Le rôle de l’horloge est de
cadencer le rythme de travail du processeur. C’est un signal régulier, imposant
un rythme au circuit et permettant une synchronisation avec d’autres composants
tel que les mémoires. Plus la vitesse de l’horloge augmente, plus le
microprocesseur effectue des calculs en une seconde.
UNITES D’ENTRÉE/SORTIE
Elles sont constituées :
-des périphériques : un périphérique
est un organe extérieur à l’unité centrale permettant d’envoyer ou de recevoir
des informations à l’ordinateur.
-de certains éléments fixés
directement sur la carte mère tels que la carte son, la carte graphique…
Les périphériques d’entrée
Ces
périphériques permettent d’envoyer les informations à l’unité centrale :
clavier, souris, lecteur dvd…
Autres
périphériques d’entrées : appareils photo numériques,
magnétoscope numérique, stylo optique, lecteur code à barres, lecteur CD/DVD
externes…
Les
périphériques de sortie
Ces
périphériques permettent de recevoir ou d’afficher les informations sortant de
l’unité centrale : écran, imprimantes, haut-parleur ;
vidéoprojecteur, table traçante …
Autre
périphérique de sortie : table traçante, etc
Les
périphériques d’entrée/ sortie
Ces
périphériques permettent d’envoyer et d’afficher ou recevoir les
informations : écran tactile, webcam…
Webcam
Autres
périphériques d’entrée/sortie : microphone avec casque, lecteur
graveur DVD externe
Les
périphériques de stockage
Ces
périphériques permettent de stocker et de conserver les informations. Clé USB,
disque dur externe, dvd, Carte mémoire…
UNITES DE COMMUNICATION
Elles
sont constituées des bus, des ports et des câbles.
Le bus informatique
Le
bus est un ensemble de liaisons physiques (câbles, piste de circuits imprimés,
etc.) pouvant être exploitées en commun par plusieurs éléments matériels afin
de communiquer.
Types de bus :
-
Le bus de données véhicule les instructions en provenance
ou à destination du microprocesseur. C’est un bus bidirectionnel.
-Le
bus d’adresse ou bus mémoire transporte les adresses mémoire
auxquelles le microprocesseur souhaite accéder pour lire ou écrire une donnée.
Il s’agit d’un bus unidirectionnel.
-Le
bus de commande ou de contrôle transporte les ordres et les signaux de
synchronisation en provenance de l’unité de commande et à destination de
l’ensemble des composants matériels. Il s’agit d’un bus bidirectionnel dans la
mesure où il transmet également des signaux de réponse des éléments matériels.
ARCHITECTURE DE VON NEUMANN
Définition
L’architecture
de Von Neumann est un modèle pour un ordinateur qui utilise une structure de
stockage unique pour conserver à la fois les instructions et les données
demandées ou produites par les calculs. Le modèle de Von Neumann est un modèle
de base. Tous les autres modèles ne sont que des versions modifiées ce modèle
de base.
Avantage :
-La mémoire contient à la fois les
données et les instructions.
Inconvénient :
-Le processeur doit d’abord aller lire
l’instruction dans la mémoire centrale, puis ensuite aller lire la donnée, ce
qui entraine une perte de temps considérable.
Principe de fonctionnement de
l’ordinateur
Le principe de fonctionnement de l’ordinateur
est le suivant :
·
Envoi
des données par les périphériques d’entrée,
·
Traitement
des données :
-Calculs arithmétiques et
logiques par l’UAL,
-Séquençage des opérations par
l’UCC,
·
Stockage
des données dans les mémoires,
·
Diffusion
des résultats par les périphériques de sorties,
EXERCICES
1) Définir
: architecture, périphérique.
2) Citez les
différents constituants des mémoires centrales.
3) Pourquoi
dit-on que la mémoire vive est une mémoire volatile ?
4) Citer 04
types de périphériques.
5) Comment
sont connectés les différents périphériques à l’unité centrale de
l’ordinateur ?
EXERCICE I : Répondre par vrai ou faux
1-L’unité de commande
effectue les calculs dans un processeur.
2-L’accumulateur est un
registre de l’UAL.
3-La mémoire ROM est
interne au processeur.
4-La mémoire virtuelle
se trouve entre le processeur et la RAM.
5-La mémoire RAM stocke
les données d’une manière permanente.
EXERCICE II :
Associer aux éléments
de la colonne A des correspondants de la colonne B.
|
Colonne A |
Colonne B |
|
1-antememoire 2-registre 3-horloge 4-accumulateur 5-disque dur |
a-détermine
la fréquence du processeur b-cache
processeur c- stocke les
résultats des opérations de l’UAL d-mémoire
interne au processeur e-mémoire de
masse |
EXERCICE III :
1- Définir : bus
2-Comment appelle-t-on
le bus qui transporte les données de la mémoire au processeur ?
3-Ce bus est
bidirectionnel. Vrai ou Faux ?
4-Citer 02 autres types
de bus.
EXERCICE IV :
Votre petit frère qui fait la classe de 6ème
vous dit qu’il entend toujours parler des mémoires de l’ordinateur. Vous
constatez d’ailleurs qu’il confond le plus souvent l’unité centrale à la
mémoire. Pour mieux éclairer votre petit frère, répondez aux questions
suivantes.
1-Définir :
mémoire
2-Cite 03 types de
mémoire dans l’ordinateur.
3-Comment appelle-t-on
la mémoire de l’ordinateur qui mémorise les informations au cours du
traitement.
4-Comment appelle-t-on la mémoire de l’ordinateur qui
contient les programmes de démarrage de l’ordinateur.
5-On peut lire et écrire dans une mémoire morte. VRAI ou
FAUX
EXERCICE V:
Une mémoire
est un composant électronique permettent de conserver, de stocker et de
restituer une information. On dénombre les mémoires mortes, les mémoires vives
et les mémoires de masse. Les mémoires de masse, encore appelée mémoires auxiliaires
ou mémoires secondaires, sont des organes permettant le stockage de grandes
quantités d'informations.
1. Citer deux types de mémoires
de masse couramment utilisées.
2. Quelle est la
mémoire de masse qui se trouve à l’intérieur de l’unité centrale de
l’ordinateur ?
3. a-Quelle différence faites-vous entre mémoire vive et mémoire
morte ?
b-Quelle différence faites-vous entre
mémoires volatiles et mémoires permanentes ?
4. Compléter le tableau
ci-dessous :
|
Mémoire de masse |
Fixe |
Amovible |
|
Disque
dur interne |
|
|
|
CD-Rom |
|
|
|
Clé
USB |
|
|
|
Carte
Mémoire |
|
|
EXERCICE VI :
Jules vient
d’acquérir un ordinateur portable (laptop). Il est un passionné des jeux vidéo.
Il pense que l’acquisition de cet outil lui permettra de bien s’amuser pendant
les vacances scolaires. Seulement Jules n’arrive pas à charger les jeux vidéo
sur son ordinateur qui lui renvoie le message d’erreur suivant : « Mémoire
insuffisante … ». Il se tourne vers vous pour savoir la cause du problème.
A l’aide de
vos connaissances en informatique, répondez aux questions suivantes qui
pourront aider Jules.
1. De quel
type de mémoire s’agit-il dans ce message d’erreur ?
2. Quel peut être la cause de ce problème ?
3. Sous quelle forme physique se présente la mémoire vive de
l’ordinateur ?
4. Quelle solution préconisez-vous pour résoudre ce problème afin que Jules ait
désormais
suffisamment de mémoire dans son ordinateur ?
EXERCICE VII : Dans un document informatique, vous trouvez les éléments
suivants :
1 2 
3 
4
a-Identifier 02
périphériques d’entrée.
b-Identifier 01
périphérique de sortie.
c-Identifier 01
périphérique d’entrée/sortie. (E/S)
EXERCICE VIII :
Un centre de formation a besoin pour son fonctionnement des
équipements suivants :
03 ordinateurs complets,
03 imprimantes, 01 vidéoprojecteur, 01 routeur, 01 scanner, 01 webcam, 01
microphone avec casque, 03 lecteurs graveurs DVD externes, modem.
1-Identifier parmi ces
éléments 02 périphériques d’entrée/sortie.
2-Identifier parmi ces
éléments 02 périphériques de communication.
3-Donner les rôles du
scanner et de la webcam.
EXERCICE IX :
On donne le schéma de base d’un ordinateur :
1. Quels types de
périphériques envoient des informations à l’unité centrale ?
2. Quels types de
périphériques reçoivent des informations de l’unité centrale ?
3. Les périphériques de
stockage sont aussi des mémoires de masse. VRAI ou FAUX
4. Les images suivantes
illustrent des ports externes de l’ordinateur situés derrière la carte mère.
Associer à chaque image un port externe et les éléments qu’ils permettent de
connecter à l’unité centrale.
1……………… 
2………………
3…………… 
4……………………
EXERCICE X : Lis attentivement ce texte et réponds aux questions
La supériorité de l’ordinateur sur le cerveau
humain dans le domaine de calcul est indiscutable. Un exemple parmi d’autres …
Un astronome français, Charles Delaunay, publia en 1867 la loi de variation
temporelle de la trajectoire de la lune en tenant compte de tous les facteurs
effectifs. Il lui fallut dix ans pour faire les calculs… et dix ans pour les
vérifier. En 1970, le même problème fut résolu en vingt-quatre heures par un
ordinateur. Quelques minutes suffisent aujourd’hui pour calculer la trajectoire
des satellites artificiels.
Guy
LAZORTHES, Le cerveau de l’ordinateur
1-Quel
composant peut-on comparer au cerveau de l’ordinateur ?
2-Donner
la supériorité du microprocesseur sur le cerveau humain :
a-Au niveau de la vitesse de calcul
b- Au niveau de la réflexion
3-Les
travaux de Delaunay font partie de quel domaine d’application de
l’informatique ?
CORRIGES
CONTROLE DE
CONNAISSANCES :
1)Architecture : On
appelle architecture d’un ordinateur l’ensemble des éléments constituants cet
ordinateur ainsi que l’organisation de la circulation des informations entre
ces éléments.
Périphérique : un périphérique est
un organe extérieur à l’unité centrale permettant d’envoyer ou de recevoir des
informations à l’ordinateur.
2) Mémoire vive (Ram)
Mémoire morte (Rom)
3) Son contenu disparait
lorsque l’ordinateur est hors-tension. // les mémoires non volatiles sont des mémoires permanentes..
4) 04 types de
périphériques : entrée, sortie, entrée/sortie et stockage.
5) A l’aide des ports.
EXERCICE I :
1-Faux
//plutôt l’UAL
2-Vrai
3-Faux
//plutôt les registres
4-
Faux
//c’est un prolongement du disque dur
5-Faux
// plutôt la RAM
EXERCICE II :1b ; 2d ;3a ;4c ;5e
EXERCICE III :
1- bus :
2-bus de données
3-Vrai
4-bus d’adresse et bus de
contrôle.
EXERCICE IV :
1. Une mémoire est un
composant électronique permettant de conserver, de stocker et de restituer une
information.
2. Mémoire vive, mémoire morte
et mémoires de masse (organes de stockage).
3. RAM ou mémoire vive.
4-BIOS
5-FAUX
EXERCICE V:
1. Disque dur, cd (ou dvd)
2. Disque dur
3. La mémoire vive est
volatile alors que la mémoire morte est permanente,
(On peut lire et écrire dans
la mémoire vive or la mémoire morte a été enregistrée une fois par son
fabricant).
4.
|
Mémoire de masse |
Fixe |
Amovible |
|
Disque dur interne |
x |
|
|
CD-Rom |
|
x |
|
Clé USB |
|
x |
|
Carte Mémoire |
|
x |
EXERCICE VI :
1. RAM .
2. La capacité de la RAM est faible.
3. Sous forme de barrette.
4. Ajouter des barrettes de RAM de grande capacité.
EXERCICE VII :
a- Clavier(4) , souris(3)
b-Moniteur ou écran(1)
c-Webcam(2)
EXERCICE VIII :
1- Webcam, microphone avec
casque, lecteurs graveurs DVD externes.
2- Routeur, modem.
3-Le scanner transforme une
image sur papier en une image numérique qu’on peut traiter ou garder dans un
support de stockage. On dit qu’il numérise une image.
-La webcam permet d’envoyer ou
de recevoir des images sur son ordinateur.
EXERCICE IX :
1. Périphériques d’entrée.
2. Périphériques de sortie.
3. VRAI
4-
|
Numéro |
Type de port |
Eléments qu’il permet de connecter |
|
1 |
PS/2 |
Souris, claviers |
|
2 |
HDMI |
Caméscope, vidéoprojecteur |
|
3 |
VGA |
Moniteur |
|
4 |
USB |
Souris, claviers, imprimante, scanner |
EXERCICE X :
1-Microprocesseur.
2-le microprocesseur est plus
rapide.
3-Recherche scientifique.