Circuits et Architecture - Comprendre les Fondamentaux

Objectifs d'apprentissage

• Comprendre les principes fondamentaux des circuits logiques et leur rôle dans l'architecture des ordinateurs.
• Maîtriser la représentation des données en binaire et les différentes méthodes de codage.
• Analyser le fonctionnement des transistors et des portes logiques pour concevoir des circuits élémentaires.
• Apprendre à concevoir et optimiser des circuits combinatoires et séquentiels (additionneurs, mémoires, etc.).
• Étudier l'architecture d'un microprocesseur, en se concentrant sur le modèle LC-3.
• Acquérir des compétences en programmation assembleur pour le microprocesseur LC-3.
• Explorer les concepts avancés tels que les sous-routines, la pile, et la gestion des entrées/sorties.
• Comparer les architectures CISC et RISC, ainsi que les particularités des processeurs modernes (80x86, IA-64).
• Comprendre les techniques d'optimisation comme le pipeline, la mémoire virtuelle et les caches mémoire.

Public cible

Ce cours s'adresse aux étudiants en informatique, en génie électrique ou en électronique, ainsi qu'aux professionnels souhaitant approfondir leurs connaissances en architecture des ordinateurs. Il est conçu pour ceux qui possèdent déjà des bases en logique booléenne et en programmation, mais aucune expertise avancée n'est requise. Les passionnés de hardware et les développeurs souhaitant mieux comprendre le fonctionnement des processeurs trouveront également ce cours pertinent.

Contenu détaillé

Historique

Ce module retrace l'évolution des ordinateurs, des premières machines mécaniques aux architectures modernes, en mettant l'accent sur les avancées technologiques clés.

Représentation des données

Apprenez les systèmes de numération binaire, hexadécimal, et les méthodes de codage (complément à deux, IEEE 754 pour les nombres flottants).

Transistors et portes logiques

Découvrez comment les transistors forment les portes logiques de base (AND, OR, NOT) et comment celles-ci sont combinées pour créer des circuits plus complexes.

Circuits élémentaires

Étude des multiplexeurs, démultiplexeurs, encodeurs et décodeurs, avec des exercices pratiques de conception.

Additionneurs, Mémoires

Conception d'additionneurs binaires (demi-additionneur, additionneur complet) et analyse des différents types de mémoires (ROM, RAM, cache).

Circuits séquentiels

Introduction aux bascules (flip-flops) et aux registres, essentiels pour la mémorisation d'états dans les systèmes numériques.

Architecture d’un micro-processeur

Structure générale d'un CPU : unité de contrôle, ALU, registres, et bus de données. Étude du cycle d'instruction.

Micro-processeur LC-3

Présentation détaillée de l'architecture LC-3, un modèle pédagogique idéal pour comprendre les concepts fondamentaux.

Programmation du micro-processeur LC-3

Écriture de programmes en assembleur LC-3, avec des exemples concrets et des exercices de manipulation des registres.

Les sous-routines et la pile, Entrée/Sorties

Gestion des appels de fonctions, de la pile mémoire, et communication avec les périphériques via les instructions d'E/S.

Autres architectures, Processeurs 80x86

Comparaison avec les architectures x86, en soulignant les différences majeures en termes de jeux d'instructions et de performances.

Comparaison CISC/RISC, Architecture IA-64

Analyse des avantages et inconvénients des architectures CISC (Complex Instruction Set Computing) et RISC (Reduced Instruction Set Computing), avec un focus sur l'IA-64 d'Intel.

Pipeline, Mémoire virtuelle, Caches mémoire

Techniques d'optimisation des processeurs modernes : parallélisme via le pipeline, gestion hiérarchique de la mémoire (cache L1/L2, mémoire virtuelle).

Méthodologie

Le cours combine théorie et pratique, avec des travaux dirigés sur simulateurs de circuits (Logisim) et des projets de programmation assembleur. Des études de cas sur des architectures réelles (ARM, x86) viendront illustrer les concepts abordés.