Architecture des Ordinateurs - Comprendre les Fondamentaux

Objectifs d'apprentissage

• Comprendre l'évolution historique des architectures informatiques et leur impact sur les technologies actuelles.
• Maîtriser les principes fondamentaux du fonctionnement d'un ordinateur, y compris le cycle d'exécution des instructions.
• Apprendre à évaluer les performances d'un système informatique à travers des métriques telles que le temps d'exécution et le débit.
• Acquérir une connaissance approfondie des jeux d'instructions et de leur rôle dans l'exécution des programmes.
• Maîtriser les techniques de codage des nombres (entiers, flottants) et leur représentation en mémoire.
• Explorer les composants matériels essentiels d'un ordinateur (CPU, mémoire, bus) et leurs interactions.
• Comprendre les concepts avancés comme le pipeline, la prédiction de branchement et leur optimisation.
• Analyser la hiérarchie mémoire (caches, RAM, stockage) et son impact sur les performances.
• Étudier les systèmes d'entrées/sorties (E/S) et leur gestion par le système d'exploitation.
• Découvrir les architectures parallèles (multicœurs, GPU) et les défis liés à la programmation concurrente.
• Se familiariser avec l'architecture x86 et son utilisation dans les PC modernes.

Public cible

Ce cours s'adresse aux étudiants en informatique (niveau licence ou master), aux ingénieurs en formation, ainsi qu'aux professionnels souhaitant approfondir leur compréhension des architectures matérielles. Les prérequis incluent des bases en programmation (langage C ou assembleur recommandé) et une connaissance élémentaire des systèmes numériques. Le contenu est également adapté aux autodidactes passionnés par le hardware.

Plan détaillé du cours

1 - Historique

Retracez l'évolution des ordinateurs, des machines mécaniques aux architectures modernes, en passant par les révolutions des transistors et des circuits intégrés. Découvrez comment des innovations comme la machine de Von Neumann ont façonné l'informatique contemporaine.

2 - Principe de fonctionnement

Explorez le cycle fetch-decode-execute, le rôle de l'horloge système, et les interactions entre l'unité centrale, la mémoire et les périphériques. Des schémas explicatifs illustreront le flux de données et de contrôle.

3 - Évaluation des performances

Apprenez à calculer le CPI (Cycles Par Instruction), le MIPS (Millions d'Instructions Par Seconde) et l'impact des goulots d'étranglement. Études de cas sur des benchmarks réels.

4 - Le jeu d’instructions

Comparez les architectures RISC (ARM) et CISC (x86), analysez les formats d'instructions et les modes d'adressage. Travaux pratiques sur un simulateur d'assemblage.

5 - Codage des nombres

Détail des représentations binaire, hexadécimale, complément à deux pour les entiers, et norme IEEE 754 pour les flottants. Exercices de conversion et détection d'erreurs.

6 - Le matériel de l’ordinateur

Anatomie d'un processeur : ALU, registres, contrôleur. Analyse des bus (adresse, données, contrôle) et des technologies de fabrication (nanométrie).

7 - Pipeline et Prédiction de Branchement

Optimisation du pipeline, gestion des aléas (data hazards), et techniques de prédiction statique/dynamique. Benchmarks comparatifs.

8 - Hiérarchie Mémoire

Pyramide de mémoire : registres → caches L1/L2/L3 → RAM → disque. Politiques de remplacement (LRU) et cohérence cache dans les systèmes multicœurs.

9 - Les Entrées / Sorties

Protocoles (PCIe, USB), interruptions, DMA, et gestion des pilotes. Exemples de cartes graphiques et de stockage NVMe.

10 - Architectures parallèles

Classification de Flynn (SIMD, MIMD), architectures multithread, GPU (CUDA), et défis de la synchronisation. Lab sur OpenMP.

11 - x86 et PC

Évolution d'Intel/AMD, modes de fonctionnement (réel, protégé, long), et analyse d'un BIOS moderne. Démontage virtuel d'un PC.

Méthodologie

Le cours combine théorie (cours magistraux) et pratique (TP sur simulateurs comme MARS ou QEMU). Des projets incluront l'analyse de traces d'exécution et l'optimisation de code assembleur. Évaluation via un examen final (50%) et un mini-projet (50%) sur l'émulation d'un composant matériel.