Fonctionnement d'un ordinateur/L'architecture de base d'un ordinateur

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Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment représenter de l'information, la traiter et la mémoriser avec des circuits. Mais un ordinateur n'est pas qu'un amoncellement de circuits et est organisé d'une manière bien précise. Il est structuré autour de trois circuits principaux :

  • les entrées/sorties, qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur ;
  • une mémoire qui mémorise les données à manipuler ;
  • un processeur, qui manipule l'information et donne un résultat.
Architecture d'un système à mémoire.

Pour faire simple, le processeur est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de traiter des informations. La mémoire s'occupe purement de la mémorisation des informations. Les entrées-sorties permettent au processeur et à la mémoire de communiquer avec l'extérieur et d'échanger des informations avec des périphériques. Tout ce qui n'appartient pas à la liste du dessus est obligatoirement connecté sur les ports d'entrée-sortie et est appelé périphérique. Ces composants communiquent via un bus, un ensemble de fils électriques qui relie les différents éléments d'un ordinateur.

Architecture minimale d'un ordinateur.

Parfois, on décide de regrouper la mémoire, les bus, le CPU et les ports d'entrée-sortie dans un seul composant électronique nommé microcontrôleur. Dans certains cas, qui sont plus la règle que l'exception, certains périphériques sont carrément inclus dans le microcontrôleur ! On peut ainsi trouver dans ces microcontrôleurs, des compteurs, des générateurs de signaux, des convertisseurs numériques-analogiques... On trouve des microcontrôleurs dans les disques durs, les baladeurs mp3, dans les automobiles, et tous les systèmes embarqués en général. Nombreux sont les périphériques ou les composants internes à un ordinateur qui contiennent des microcontrôleurs.

Les entrées-sorties[modifier | modifier le wikicode]

Tous les circuits vus précédemment sont des circuits qui se chargent de traiter des données codées en binaire. Ceci dit, les données ne sortent pas de n'importe où : l'ordinateur contient des composants électroniques qui se chargent de traduire des informations venant de l’extérieur en nombres. Ces composants sont ce qu'on appelle des entrées. Par exemple, le clavier est une entrée : l'électronique du clavier attribue un nombre entier (scancode) à une touche, nombre qui sera communiqué à l’ordinateur lors de l'appui d'une touche. Pareil pour la souris : quand vous bougez la souris, celle-ci envoie des informations sur la position ou le mouvement du curseur, informations qui sont codées sous la forme de nombres. La carte son évoquée il y a quelques chapitres est bien sûr une entrée : elle est capable d'enregistrer un son, et de le restituer sous la forme de nombres.

S’il y a des entrées, on trouve aussi des sorties, des composants électroniques qui transforment des nombres présents dans l'ordinateur en quelque chose d'utile. Ces sorties effectuent la traduction inverse de celle faite par les entrées : si les entrées convertissent une information en nombre, les sorties font l'inverse : là où les entrées encodent, les sorties décodent. Par exemple, un écran LCD est un circuit de sortie : il reçoit des informations, et les transforme en image affichée à l'écran. Même chose pour une imprimante : elle reçoit des documents texte encodés sous forme de nombres, et se permet de les imprimer sur du papier. Et la carte son est aussi une sortie, vu qu'elle transforme les sons d'un fichier audio en tensions destinées à un haut-parleur : c'est à la fois une entrée, et une sortie.

La mémoire[modifier | modifier le wikicode]

La mémoire est le composant qui mémorise des informations, des données. Dans la majorité des cas, la mémoire est découpée en plusieurs bytes, des blocs de mémoire qui contiennent chacun un nombre fini et constant de bits. Le plus souvent, ces bytes sont composés de plusieurs groupes de 8 bits, appelés des octets. Bien évidemment, une mémoire ne peut stocker qu'une quantité finie de données. Et à ce petit jeu, certaines mémoires s'en sortent mieux que d'autres et peuvent stocker beaucoup plus de données que les autres. La capacité d'une mémoire correspond à la quantité d'informations que celle-ci peut mémoriser. Plus précisément, il s'agit du nombre de bits que celle-ci peut contenir.

Lecture et écriture : mémoires ROM et RWM[modifier | modifier le wikicode]

Pour simplifier grandement, on peut grossièrement classer les mémoires en deux types : les Read Only Memory et les Read Write Memory, aussi appelées mémoires ROM et mémoires RWM. Pour les mémoires ROM, on ne peut pas modifier leur contenu. On peut y récupérer une donnée ou une instruction : on dit qu'on y accède en lecture. Mais on ne peut pas modifier les données qu'elles contiennent. Quant aux mémoires RWM, on peut y accéder en lecture (récupérer une donnée stockée en mémoire), mais aussi en écriture : on peut stocker une donnée dans la mémoire, ou modifier une donnée existante. Tout ordinateur contient au moins une mémoire ROM et une mémoire RWM (souvent une RAM). La mémoire ROM stocke un programme, alors que la mémoire RWM sert essentiellement pour maintenir des résultats de calculs.

Architecture avec une ROM et une RAM.

L'adressage[modifier | modifier le wikicode]

Sur une mémoire RAM ou ROM, on ne peut lire ou écrire qu'un byte, qu'un registre à la fois : une lecture ou écriture ne peut lire ou modifier qu'un seul byte. Techniquement, le processeur doit préciser à quel byte il veut accéder à chaque lecture/écriture. Pour cela, chaque byte se voit attribuer un nombre binaire unique, l'adresse, qui va permettre de le sélectionner et de l'identifier celle-ci parmi toutes les autres. En fait, on peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les bytes. Il existe des mémoires qui ne fonctionnent pas sur ce principe, mais passons : ce sera pour la suite. Une autre explication est que l'adresse donne la position dans la mémoire d'une donnée.

Exemple : on demande à la mémoire de sélectionner le byte d'adresse 1002 et on récupère son contenu (ici, 17).

Les rôles des mémoires ROM et RAM[modifier | modifier le wikicode]

Si tout ordinateur contient au minimum une ROM et une RWM (souvent une mémoire RAM), les deux n'ont pas exactement le même rôle. Idéalement, les mémoires ROM stockent des programmes à exécuter et sont lues directement par le processeur. La mémoire ROM stocke aussi les constantes, à savoir des données qui peuvent être lues mais ne sont jamais accédées en écriture durant l'exécution du programme. Elles ne sont donc jamais modifiées et gardent la même valeur quoi qu'il se passe lors de l'exécution du programme. Quant à la mémoire RWM, elle est censée mémoriser des données temporaires, nécessaires pour que le programme en mémoire ROM fonctionne. Elle mémorise alors les variables du programme à exécuter, qui sont des données que le programme va manipuler. Vu que les variables du programme sont des données qui sont fréquemment mises à jour et modifiées, elles sont naturellement stockées dans une mémoire RWM. Pour les systèmes les plus simples, la mémoire RWM ne sert à rien de plus.

Le processeur[modifier | modifier le wikicode]

L'unité de traitement est un circuit qui s'occupe de faire des calculs et de manipuler l'information provenant des entrées-sorties ou récupérée dans la mémoire. Dans les ordinateurs, l'unité de traitement porte le nom de processeur, ou encore de Central Processing Unit, abrévié en CPU. Tout processeur est conçu pour effectuer un nombre limité d'opérations bien précises, comme des calculs, des échanges de données avec la mémoire, etc. Ces opérations sont appelées des instructions. Elles se classent en quelques grands types très simples :

  • Les instructions arithmétiques font des calculs. Un ordinateur peut ainsi additionner deux nombres, les soustraire, les multiplier, les diviser, etc.
  • Les instructions de test comparent deux nombres entre eux et agissent en fonction.
  • Les instructions d'accès mémoire échangent des données entre la mémoire et le processeur.
  • Les instructions d'entrée-sortie communiquent avec les périphériques.
  • Etc.

Les logiciels et programmes[modifier | modifier le wikicode]

Tout processeur est conçu pour exécuter une suite d'instructions dans l'ordre demandé, cette suite s'appelant un programme. Ce que fait le processeur est défini par la suite d'instructions qu'il exécute, par le programme qu'on lui demande de faire. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres. Ce programme est stocké dans la mémoire de l'ordinateur, comme les données : sous la forme de suites de bits. C'est ainsi que notre ordinateur est rendu programmable : on peut parfaitement modifier le contenu de la mémoire (ou la changer, au pire), et donc changer le programme exécuté par notre ordinateur. Mine de rien, cette idée d'automate stockant son programme en mémoire est ce qui a fait que l’informatique est ce qu'elle est aujourd’hui. C'est la définition même d'ordinateur : appareil programmable qui stocke son programme dans une mémoire modifiable.

Le Program Counter[modifier | modifier le wikicode]

Pour exécuter une suite d'instructions dans le bon ordre, le processeur détermine à chaque cycle savoir quelle est la prochaine instruction à exécuter. Il faut donc que notre processeur se souvienne de cette information quelque part, dans une petite mémoire. C'est le rôle du registre d'adresse d'instruction, aussi appelé Program Counter. Ce registre stocke l'adresse de la prochaine instruction à exécuter, adresse qui permet de localiser la prochaine instruction en mémoire. Cette adresse ne sort pas de nulle part : on peut la déduire de l'adresse de l'instruction en cours d’exécution par divers moyens plus ou moins simples qu'on verra dans la suite de ce tutoriel. Généralement, on profite du fait que ces instructions sont exécutées dans un ordre bien précis, les unes après les autres. Sur la grosse majorité des ordinateurs, celles-ci sont placées les unes à la suite des autres dans l'ordre où elles doivent être exécutées. L'ordre en question est décidé par le programmeur. Un programme informatique n'est donc qu'une vulgaire suite d'instructions stockée quelque part dans la mémoire de notre ordinateur. En faisant ainsi, on peut calculer facilement l'adresse de la prochaine instruction en ajoutant la longueur de l'instruction juste chargée (le nombre de case mémoire qu'elle occupe) au contenu du registre d'adresse d'instruction. Dans ce cas, l'adresse de la prochaine instruction est calculée par un petit circuit combinatoire couplé à notre registre d'adresse d'instruction, qu'on appelle le compteur ordinal.

Mais certains processeurs n'utilisent pas cette méthode. Sur de tels processeurs, chaque instruction va devoir préciser quelle est la prochaine instruction. Pour ce faire, une partie de la suite de bit représentant notre instruction à exécuter va stocker cette adresse. Dans ce cas, ces processeurs utilisent toujours un registre pour stocker cette adresse, mais ne possèdent pas de compteur ordinal, et n'ont pas besoin de calculer une adresse qui leur est fournie sur un plateau. Les processeurs de ce type contiennent toujours un registre d'adresse d'instruction : la partie de l'instruction stockant l'adresse de la prochaine instruction est alors recopiée dans ce registre, pour faciliter sa copie sur le bus d'adresse. Mais le compteur ordinal n'existe pas. Sur des processeurs aussi bizarres, pas besoin de stocker les instructions en mémoire dans l'ordre dans lesquelles elles sont censées être exécutées. Mais ces processeurs sont très très rares et peuvent être considérés comme des exceptions à la règle.

Encodage d'une instruction sur un processeur sans Program Counter.

Le bus de communication[modifier | modifier le wikicode]

Le processeur est relié à la mémoire ainsi qu'aux entrées-sorties par un ou plusieurs bus de communication. Ce bus n'est rien d'autre qu'un ensemble de fils électriques sur lesquels on envoie des zéros ou des uns.

Bus électronique.

Tout ordinateur contient au moins un bus, qui relie le processeur, la mémoire, les entrées et les sorties ; et leur permet d’échanger des données ou des instructions. Pour permettre au processeur (ou aux périphériques) de communiquer avec la mémoire, il y a trois prérequis que ce bus doit respecter : pouvoir sélectionner la case mémoire (ou l'entrée-sortie) dont on a besoin, préciser à la mémoire s'il s'agit d'une lecture ou d'une écriture, et enfin pouvoir transférer la donnée. Pour cela, on doit donc avoir trois bus spécialisés, bien distincts, qu'on nommera le bus de commande, le bus d'adresse, et le bus de donnée. Le bus de données est un ensemble de fils par lequel s'échangent les données entre les composants. Le bus de commande permet au processeur de configurer la mémoire et les entrées-sorties. Le bus d'adresse, facultatif, permet au processeur de sélectionner l'entrée, la sortie ou la portion de mémoire avec qui il veut échanger des données. Chaque composant possède des entrées séparées pour le bus d'adresse, le bus de commande et le bus de données. Par exemple, une mémoire RAM possédera des entrées sur lesquelles brancher le bus d'adresse, d'autres sur lesquelles brancher le bus de commande, et des broches d'entrée-sortie pour le bus de données.

Architecture Von Neumann avec les bus.

Les architectures Harvard et Von Neumann[modifier | modifier le wikicode]

Un point important d'un ordinateur est la séparation entre données et instructions. Dans ce qui va suivre, nous allons faire la distinction entre la mémoire programme, qui stocke les programmes à exécuter, et la mémoire travail qui mémorise des variables nécessaires au fonctionnement des programmes. Nous avons vu plus haut que les données sont censées être placées en mémoire RAM, alors que les instructions sont placées en mémoire ROM. En fait, les choses sont plus compliquées. Il y a des architectures où cette séparation est nette et sans bavures. Mais d'autres ne respectent pas cette séparation à dessin. Cela permet de faire la différence entre les architectures Harvard où la séparation entre données et instructions est stricte, des architectures Von Neumann où données et instructions sont traitées de la même façon par le processeur.

Sur les architectures Harvard, la mémoire ROM est une mémoire programme, alors que la mémoire RWM est une mémoire travail. A l’opposé, les architectures Von Neumann permettent de copier des programmes et de les exécuter dans la RAM. La mémoire RWM sert alors en partie de mémoire programme, en partie de mémoire travail. Par exemple, on pourrait imaginer le cas où le programme est stocké sous forme compressée dans la mémoire ROM, et est décompressé pour être exécuté en mémoire RWM. Le programme de décompression est lui aussi stocké en mémoire ROM et est exécuté au lancement de l’ordinateur. Cette méthode permet d'utiliser une mémoire ROM très petite et très lente, tout en ayant un programme rapide (si la mémoire RWM est rapide). Mais un cas d'utilisation bien plus familier est celui de votre ordinateur personnel, comme nous le verrons plus bas.

Répartition des données et du programme entre la ROM et les RWM.

L'architecture Harvard[modifier | modifier le wikicode]

Avec l'architecture Harvard, la mémoire ROm et la mémoire RAM sont reliées au processeur par deux bus séparés. L'avantage de cette architecture est qu'elle permet de charger une instruction et une donnée simultanément : une instruction chargée sur le bus relié à la mémoire programme, et une donnée chargée sur le bus relié à la mémoire de données.

Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Harvard.

Sur ces architectures, une adresse peut correspondre soit à la ROM, soit à la RAM : le processeur voit bien deux mémoires séparées.

Architecture Harvard, avec une ROM et une RAM séparées.

Sur ces architectures, le processeur sait faire la distinction entre programme et données. Les données sont stockées dans la mémoire RAM, le programme est stocké dans la mémoire ROM. Les deux sont séparés, accédés par le processeur sur des bus séparés, et c'est ce qui permet de faire la différence entre les deux. Il est impossible que le processeur exécute des données ou modifie le programme. Du moins, tant que la mémoire qui stocke le programme est bien une ROM.

L'architecture Von Neumann[modifier | modifier le wikicode]

Avec l'architecture Von Neumann, mémoire ROM et mémoire RAM sont reliées au processeur par un bus unique. Avec l'architecture Von Neumann, tout se passe comme si les deux mémoires étaient fusionnées en une seule mémoire. Une adresse bien précise va ainsi correspondre soit à la mémoire RAM, soit à la mémoire ROM, mais pas aux deux.

Vision de la mémoire par un processeur sur une architecture Von Neumann.

Quand une adresse est envoyée sur le bus, les deux mémoires vont la recevoir mais une seule va répondre.

Architecture Von Neumann, avec deux bus séparés.

Une particularité de ces architectures est qu'il est impossible de distinguer programme et données, sauf en ajoutant des techniques de protection mémoire avancées. La raison est qu'il est impossible de faire la différence entre donnée et instruction, vu que rien ne ressemble plus à une suite de bits qu'une autre suite de bits. Et c'est à l'origine d'un des avantages majeur de l'architecture Von Neumann : il est possible que des programmes soient recopiés dans la mémoire RWM et exécutés dans celle-ci. Un cas d'utilisation familier est celui de votre ordinateur personnel. Le système d'exploitation et les autres logiciels sont copiés en mémoire RAM à chaque fois que vous les lancez.

L'impossibilité de séparer données et instructions a beau être l'avantage majeur des architectures Von Neumann, elle est aussi à l'origine de problèmes assez fâcheux. Il est parfaitement possible que le processeur charge et exécute des données, qu'il prend par erreur pour des instructions. C'est le cas quand le programme exécuté est bugué, le cas le plus courant étant l'exploitation de ces bugs par les pirates informatiques. Il arrive que des pirates informatiques vous fournissent des données corrompues, destinées à être accédées par un programme bugué. Les données corrompues contiennent en fait un virus ou un programme malveillant, caché dans les données. Le bug en question permet justement à ces données d'être exécutées, ce qui exécute le virus. En clair, exécuter des données demande que le processeur ne fasse pas ce qui est demandé ou que le programme exécuté soit bugué. Pour éviter cela, le système d'exploitation fournit des mécanismes de protection pour éviter cela. Par exemple, il peut marquer certaines zones de la mémoire comme non-exécutable, c'est à dire que le système d'exploitation interdit d’exécution de quoi que ce soit qui est dans cette zone.

Il existe cependant des cas très rares où un programme informatique est volontairement codé pour exécuter des données. Par exemple, cela permet de créer des programmes qui modifient leurs propres instructions : cela s'appelle du code auto-modifiant. Ce genre de choses servait autrefois à écrire certains programmes sur des ordinateurs rudimentaires, pour gérer des tableaux et autres fonctionnalités de base utilisées par les programmeurs. Au tout début de l'informatique, où les adresses à lire/écrire devaient être écrites en dur dans le programme, dans les instructions exécutées. Pour gérer certaines fonctionnalités des langages de programmation qui ont besoin d'adresses modifiables, comme les tableaux, on devait recopier le programme dans la mémoire RWM et corriger les adresses au besoin. De nos jours, ces techniques peuvent être utilisées occasionnellement pour compresser un programme, le cacher et le rendre indétectable dans la mémoire (les virus informatiques utilisent beaucoup ce genre de procédés). Mais passons !

L'architecture Harvard modifiée[modifier | modifier le wikicode]

Les architectures Von Neumann et Harvard sont des cas purs, qui sont encore très utilisés dans des microcontrôleurs ou des DSP (processeurs de traitement de signal). Mais quelques architectures ne suivent pas à la lettre les critères des architectures Harvard et Von Neumann. De telles architectures sont appelées des architectures Harvard modifiée. Elles sont des architectures Harvard où les instructions peuvent être traitées comme des données dans certaines conditions. Il en existe plusieurs types, que nous allons détailler ci-dessous. Mais pour comprendre la distinction, il faut remarquer que les architectures Harvard et Von neumman se distinguent sur deux points :

  • Les adresses pour la mémoire ROM (le programme) et la mémoire RAM (les données) sont séparées sur les architectures Harvard, partagées sur l’architecture Von Neumann.
  • L'accès aux données et instructions se font par des voies séparées sur l'architecture Harvard, sur le même bus avec l'architecture Von Neumann.

Les deux points sont certes reliés, mais on peut cependant les décorréler. On peut par exemple imaginer une architecture où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. On peut aussi imaginer le cas où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes.

Prenons le premier cas, où les adresses sont partagées, mais où les voies d'accès aux instructions et aux données sont séparées. C'est le cas sur les ordinateurs personnels modernes, où programmes et données sont stockés dans la même mémoire comme dans l'architecture Von Neumann. Cependant, les voies d'accès aux instructions et aux données ne sont pas les mêmes au-delà d'un certain point. La séparation se fait au niveau de la mémoire cache intégrée dans le processeur. Le processeur dispose d'une mémoire cache dédiée aux instructions et une autre dédiée aux données. L'avantage des architectures Harvard modifiées par rapport aux architectures Von Neumann est une meilleure performance.

Le deuxième type d'architecture Harvard modifiée est celle où les voies d'accès aux données et instructions sont les mêmes, mais les adresses différentes. Concrètement, cela ne signifie pas qu'il n'y a qu'un seul bus, mais que des mécanismes sont prévus pour que les deux bus d’instruction et de données interagissent et échangent des informations. Et là, on en trouve deux types.

  • Le cas le plus simple d'architecture Harvard modifiée est une architecture Harvard, où le processeur peut lire des données constantes depuis la mémoire ROM. Vu que les adresses des données et des instructions sont séparées, le processeur doit disposer d'une instruction pour lire les données en mémoire RWM, et d'une instruction pour lire des données en mémoire ROM. Ce n'est pas le cas sur les architectures Harvard, où la lecture des données en ROM est interdite, ni sur les architectures Von Neumann, où la lecture des données se fait avec une unique instruction qui peut lire n'importe quelle adresse aussi bien en ROM qu'en RAM. Une autre possibilité est que le processeur copie ces données constantes depuis la mémoire ROM dans la mémoire RAM, au lancement du programme, avec des instructions adaptées.
  • D'autres architectures font l’inverse. Là où les architectures précédentes pouvaient lires des données en ROM et en RWM, mais chargent leurs instructions depuis la ROM seulement, d'autres architectures font l'inverse. Il leur est possible d’exécuter des instructions peut importe qu'elles viennent de la ROM ou de la RAM. Par contre, quand les instructions sont exécutées depuis la mémoire RAM, les performances s'en ressentent, car on ne peut plus accéder à une donnée en même qu'on charge une instruction.