🖥️ L'Architecture de Von Neumann

Synthèse générée par Chat GPT à partir de la version longue de mon cours

📌 Qu'est-ce qu'un ordinateur ?

Un ordinateur est une machine programmable, automatique et universelle :

• programmable : la séquence d'opérations exécutée par un ordinateur peut être entièrement spécifiée dans le texte d'un programme ;
• automatique : un ordinateur peut exécuter un programme sans intervention extérieure (câblage ) ;
• universelle : un ordinateur peut exécuter tout programme calculable (selon le modèle théorique de la machine d'Alan Turing) avec le jeu d'instructions de son processeur.

Dans le modèle de Von Neumann, proposé par John Von Neumann en 1945, un ordinateur est composé des éléments suivants :

1. Unité Centrale de Traitement (CPU) : Composée de :

   • L'Unité de Commande (UC) : orchestre l'exécution des instructions.
   • L'Unité Arithmétique et Logique (UAL) : réalise les calculs et opérations logiques.

2. Mémoire Centrale : Stocke les programmes et les données.

3. Bus : Assure la communication entre le processeur, la mémoire et les périphériques.
4. Entrées/Sorties : Permettent d'interagir avec l'extérieur (clavier, écran, disque dur, etc.).

Le fonctionnement repose sur le cycle d'instruction qui est composé :

• d'un cycle de recherche :
  • Fetch : Récupération de l'instruction en mémoire.
  • Decode : Décodage de l'instruction par l'Unité de Commande.
• d'un cycle d'exécution
  • Execute : Exécution de l'instruction par l'UAL sous la commande du séquenceur
  • Write back : Écriture du résultat en mémoire.

Cycle de recherche à gauche et cycle d'exécution à droite

🔍 Schéma de l'architecture de Von Neumann

Source : Wikipedia

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📌 Hiérarchie des mémoires

Les mémoires sont classées selon leur vitesse et leur persistance :

• Registres : Stockage ultra-rapide intégré au processeur.
• Cache : Mémoire rapide située entre le processeur et la RAM.
• RAM : Stockage temporaire des instructions et données en cours de traitement.
• Stockage secondaire (disque dur, SSD) : Stockage persistant des données et programmes.

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📌 Miniaturisation des Ordinateurs et Loi de Moore

Depuis l'apparition du premier microprocesseur, l'Intel 4004 en 1971, la taille des composants électroniques n'a cessé de diminuer, tandis que leur puissance a considérablement augmenté. Ce processeur contenait seulement 2 300 transistors et fonctionnait à 740 kHz. Au fil des décennies, la miniaturisation des transistors a permis d'accroître les performances des ordinateurs tout en réduisant leur consommation d'énergie.

La loi de Moore, énoncée par Gordon Moore en 1965, prédit que le nombre de transistors sur une puce double environ tous les 18 à 24 mois, entraînant une amélioration exponentielle de la puissance de calcul. Cette tendance a été observée pendant plusieurs décennies. Depuis les années 2000, émergent des architectures avec processeurs multi-cœurs (puce unique avec plusieurs unités de calculs) ou multiprocesseurs (plusieurs processeurs physique partageant une même mémoire).

Avec la miniaturisation toujours plus poussée, les composants des ordinateurs ont été progressivement intégrés sur une seule puce, donnant naissance aux System on Chip (SoC). Ces puces, présentes dans les smartphones, tablettes et objets connectés, combinent processeur, mémoire, unités graphiques et gestion des entrées/sorties en un seul circuit intégré. Cette intégration permet une réduction de la taille et de la consommation d'énergie tout en améliorant les performances globales.

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📌 Du langage de programmation au langage machine

Un programme écrit dans un langage de haut niveau (ex : Python, C, Java) doit être traduit en langage machine pour être compris par l'ordinateur. Cette traduction passe par plusieurs étapes :

🔍 Langage de haut niveau

• Écriture du programme en un langage compréhensible par l'humain.
• Exemple en C :
  C

  #include <stdio.h>
  int main() {
      int a = 10, b = 20;
      int c = a + b;
      printf("Résultat : %d\n", c);
      return 0;
  }
  

🔍 Langage d'assemblage (assembleur)

• Traduction en instructions plus proches du processeur, mais encore lisibles par un humain.
• Utilisation de mnémoniques représentant les instructions machine.
• Exemple en assembleur :
  📋 Texte

  MOV R0, #10    // Charge 10 dans le registre R0
  MOV R1, #20    // Charge 20 dans le registre R1
  ADD R2, R0, R1 // Additionne R0 et R1 et stocke le résultat dans R2
  STR R2, 100    // Stocke le résultat à l'adresse mémoire 100
  HALT           // Arrête l'exécution du programme
  

🔍 Langage machine (code binaire)

• Traduction finale en une suite de 0 et 1 compréhensible par le processeur.
• Exemple :
  📋 Texte

  101010110101 110101011010 110100101101
  

• Ce code est directement exécutable par l'ordinateur.

🔍 Outils de traduction :

• Compilateur : Transforme le code source (C, Java…) en assembleur puis en langage machine (ex : GCC pour C, Java Compiler pour Java).
• Assembleur : Convertit un programme en assembleur en langage machine.
• Interpréteur : Exécute directement le code source sans compilation préalable (ex : Python). Cette structure de traduction permet une portabilité des programmes tout en assurant une exécution rapide et optimisée sur les machines. 🚀