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ICS3U

📚 Architecture von Neumann

Survol et attentes

La logique, les données, les instructions et la gestion des entrées et sorties d’un ordinateur sont organisées de manière assez uniforme dans la plupart des cas, peu importe le type d’ordinateur : portables, tablettes, cellulaires, serveurs, systèmes embarqués, etc. Cette organisation est appelée l’architecture von Neumann.

Définitions

La structure von Neumann est composée de quatres systèmes principaux. Les systèmes sont la mémoire (qui stockent les données), l’unité de contrôle (qui gère la prochaine commande à exécuter), l’unité arithmétique et logique (qui fait les opérations sur les données) et les entrées/sorties (E/S) (qui reçoivent et envoient des informations de/vers l’unité de contrôle). Les quatre systèmes sont liés par un bus de communication.

Objectifs d’apprentissage

À la fin de cette leçon vous devrez être en mesure de :

Reconnaître et de nommer les quatres systèmes de l’architecture von Neumann
Classer différents composants matériels dans le système approprié

Critères de succès

Je peux nommer et décrire la fonction de la mémoire, de l’unité de contrôle, de l’unité arithmétique et logique et des entrées/sorties
Je peux classer des composants matériels communs dans l’un des quatre catégories de l’architecture von Neumann

Notes

Présentation rapide des composants d’un ordinateur

Composants d’un ordinateur	Parties de la carte mère

Les images ci-dessus présentent un portrait assez complet de la structure d’un ordinateur.

Du point de vue d’un programmeur, par contre, les composants principaux à considérer sont les suivants car ils influencent la performance des logiciels (mémoire, stockage, processeur) et la communication avec l’utilisateur (périphériques d’entrée et de sortie).

Mémoire : stocke les données et les instructions en cours d’utilisation
Processeur : exécute les instructions et coordonne les opérations des autres composants; il y a généralement un processeur tout usage (CPU) qui délègue certaines tâches à un processeur graphique (GPU) dans les ordinateurs modernes.
Les processeurs sont composés de plusieurs unités, notamment :
- Unité de contrôle : coordonne les opérations des autres unités
- Unité arithmétique et logique : effectue les opérations mathématiques et logiques
- Mémoire cache : stocke temporairement les données et les instructions les plus utilisées pour réduire le temps d’attente de lecture de la mémoire principale
Stockage : stocke les données et les instructions de façon permanente (p. ex. disque dur, carte SD, clé USB). Le stockage est considéré comme un périphérique d’entrée/sortie même si le disque dur est souvent intégré plus étroitement à la carte mère.

Une bonne illustration du fait que le stockage est un périphérique est le Raspberry Pi qui utilise une carte SD amovible comme disque principal.
Périphériques d’entrée et de sortie : matériel qui envoie ou reçoit de l’information du processeur (comme le stockage, mais aussi les écrans, souris, et les routeurs de réseau). Ils permettent à l’utilisateur (ou d’autres ordinateurs) de communiquer avec l’ordinateur.

Explication de la coordination de ce composants dans l’architecture von Neumann

Exemple de traçage du flux (de la séquence) d’opérations matérielles dans un ordinateur

Plusieurs détails liés aux logiciels du système d’exploitation ne sont pas inclus dans cette séquence. Ils font partie de la prochaine leçon.

Qu’est-ce qui se passe quand on lance une application?

L’utilisateur envoie l’instruction de lancer l’application avec un périphérique d’entrée comme un clavier ou une souris.
Le contrôleur des entrées/sorties reçoit ce signal d’interruption et passe l’instruction au contrôleur de l’UTC.
Plusieurs logiciels du système chargés en mémoire s’occupe de l’instruction - toute une danse de communication entre la mémoire, et l’UTC (mémoire cache, unité arithmétique et logique, contrôleur) - pour finalement arriver à l’instruction de charger l’application en mémoire.
L’unité de contrôle demande au contrôleur des entrées/sorties de lire le disque dur et charger l’application dans la mémoire.
Le contrôleur des entrées/sorties envoie une instruction à l’UTC quand la lecture est terminée.
L’UTC commence alors à exécuter l’application - une autre danse entre la mémoire et l’UTC incluant la gestion des signaux vers les périphériques de sortie (écran, haut-parleurs, imprimante, Internet, etc.) et reçus des périphériques d’entrée (souris, clavier, microphone, Internet, etc.).