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RÉSUMÉ
L'article commence par une brève histoire des machines informatiques et introduit ensuite les principes de base de l'architecture des ordinateurs. Il présente les notions nécessaires avant d'aborder les principes et techniques utilisées pour optimiser les différents organes constituant un ordinateur, ainsi que leur interaction. Il introduit les différents paradigmes qui ont influencé l'évolution des architectures, en mettant en évidence l'origine historique de ces notions. Il montre, à chaque étape, les différents facteurs humains et technologiques qui ont agi sur la conception de ces machines, et présente les grandes techniques qui ont permis d'augmenter de façon spectaculaire la puissance de traitement de ces machines.
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François ANCEAU : Ingénieur INPG Grenoble - Professeur émérite au CNAM
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Daniel ETIEMBLE : Ingénieur INSA Lyon - Professeur à l'université Paris Sud
INTRODUCTION
L'objectif de ce document est de servir d'introduction à une série d'articles traitants, de manière approfondie, l'architecture des ordinateurs. Nous commençons par « une brève histoire des machines informatiques » suivie d'une « introduction aux principes architecturaux de base des ordinateurs ». Ces documents introductifs ne prétendent évidemment pas à l'exhaustivité. Leur objectif est :
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de présenter les notions de base qui vont permettre d'aborder de manière approfondie les différents principes et techniques utilisées pour optimiser les différents organes constituant un ordinateur ;
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d'introduire les différents paradigmes qui ont influencé cette évolution ;
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de mettre en évidence l'origine historique de ces notions, principes et paradigmes ;
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de montrer l'importance, à chaque étape, des différents facteurs humains et technologiques qui ont agi sur la conception de ces machines ;
-
de présenter les grandes techniques qui ont permis d'augmenter de façon spectaculaire la puissance de traitement de ces machines.
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2. Introduction aux principes architecturaux de base des ordinateurs
L'architecture des machines informatiques suit quelques principes que nous allons présenter ci-dessous. Toutefois, les différences entre les réalisations des différentes machines peuvent être importantes, au point que chacune d'elles constitue souvent un univers bien spécifique.
2.1 Boucle de calcul
2.1.1 Décomposition des opérations
Alan Turing et Alonzo Church ont montré en 1936 que l'ensemble des opérations arithmétiques peut être réalisé par un petit sous-ensemble d'opérations relativement simples. Typiquement, les machines les plus simples utilisent les opérations de base suivantes : binaires (+, –, et, ou, ou-exclusif), opérations unaires (négation, complémentation, décalages) et éventuellement la multiplication. Cette approche consiste à troquer de la complexité par du temps de calcul. La circuiterie qui serait nécessaire pour réaliser directement une opération complexe est remplacée par une succession d'opérations plus simples. La puissance de calcul de ces machines provient donc surtout de la vitesse avec laquelle elles exécutent ces opérations simples. Un compromis a toutefois été trouvé par le traitement en parallèle des différents bits (8, 16, 32, 64…) qui constituent les mots manipulés.
La technologie microélectronique fournit des dispositifs logiques pour le traitement de l'information et pour sa mémorisation. Ces organes sont extrêmement rapides (une transition logique ne dure que quelques picosecondes). Ce type de technologie possède aussi la propriété que les montages utilisés pour traiter l'information sont beaucoup plus complexes que ceux utilisés pour sa mémorisation (par un facteur de 5 à 25). Il est donc plus optimal de réaliser des opérations simples en séparant le traitement de l'information de sa mémorisation.
Il en découle que la réalisation de ces opérations peut se faire d'une manière économique à l'aide d'une structure bouclée (figure 5) dans laquelle les informations sont puisées dans des organes de mémorisation appelés registres et mémoire pour être fournies à un organe de traitement, appelé opérateur. Les registres sont des...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MOUNIER-KUHN (P.E.) - L'informatique en France – L'émergence d'une science. - PUPS (2010).
-
(2) - ANCEAU (F.) - De von Neumann aux super-microprocesseurs. - Dans : Qu'est-ce que les technologies, éd. MICHAUD (Y.), Odile Jacob, vol. 5, p. 89-104 (2001).
-
(3) - Qui a inventé l'ordinateur ? - Les cahiers de Science et Vie, Grands ingénieurs, hors série, no 36, déc. 1996.
-
(4) - ICHBIAH (D.) - Bill Gates et la saga de Microsoft. - Pocket (1995).
-
(5) - KIDDER (T.) - Eagle. - Flammarion (1982).
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(6) - BELL (C.G.), NEWELL (A.) - Computer structures : readings and examples. - McGraw-Hill (1971).
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