[PDF] Architecture des machines et des systèmes informatiques - 3ème

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Cours et exercices corrigés

SCIENCES SUP

ARCHITECTURE

DES MACHINES

ET DES SYSTÈMES

INFORMATIQUES

3 e

édition

Alain Cazes

Joëlle Delacroix

Écoles d'ingénieurs IUT Licence 1

re , 2 e et 3 e années

ARCHITECTURE

DES MACHINES

ET DES SYSTéMES

INFORMATIQUES

Linux

Programmation système et réseau

2 e

Ždition

Jo'lle Delacroix

352 pages

Dunod, 2007

Bases de données et modèles de calcul

Outils et méthodes pour l'utilisateur

4 e

Ždition

Jean-Luc Hainaut

440 pages

Dunod, 2005

ARCHITECTURE

DES MACHINES

ET DES SYSTéMES

INFORMATIQUES

Cours et exercices corrigés

Alain Cazes

Maître de conférences en informatique

au Conservatoire National des Arts et MŽtiers

Joëlle Delacroix

Maître de conférences en informatique

au Conservatoire National des Arts et MŽtiers 3 e

Ždition

Illustration de couverture : digitalvision®

© Dunod, Paris, 2003, 2005, 2008

ISBN 978-2-10-053945-1

Table des matières

CHAPITRE 1 •STRUCTURE GÉNÉRALE ET FONCTIONNEMENT D'UN ORDINATEUR 1

1.1 Introduction 1

1.2 Structure et fonctionnement d'un ordinateur 3

1.2.1 Structure générale d'un ordinateur 3

1.2.2 La mémoire centrale 4

1.2.3 Le bus de communication 8

1.2.4 Le processeur central ou microprocesseur 10

1.3 Fonctionnement : relation microprocesseur / mémoire centrale 13

1.4 Un exemple 15

1.4.1 Le problème 15

1.4.2 L'ordinateur 15

1.4.3 Le langage machine 15

1.5 Les unités d'échanges 16

1.6 Conclusion 17

PARTIE 1 PRODUCTION DE PROGRAMMES

2.1 Du problème au programme 23

2.1.1 Rappel du rôle d'un ordinateur 23

2.1.2 Problème, algorithme, programme et instructions 25

VIArchitecture des machines et des systèmes informatiques

2.2 Les différents niveaux de langage de l'ordinateur 26

2.2.1 Langage machine 27

2.2.2 Langage d'assemblage 28

2.2.3 Langage de haut niveau ou évolué 29

2.3 Introduction à la chaîne de production de programmes 30

2.4 Un exemple 31

2.5 Conclusion 33

3.1 La compilation 36

3.1.1 Grammaire et structure d'un langage de haut niveau 36

3.1.2 Analyse lexicale 38

3.1.3 Analyse syntaxique 40

3.1.4 Analyse sémantique 42

3.1.5 Génération du code final 44

3.2 L'édition des liens 46

3.2.1 Rôle de l'éditeur de liens 46

3.2.2 Fonctionnement de l'éditeur de liens 47

3.3 Le chargement 59

3.3.1 Rôle du chargeur 59

3.3.2 Chargement et édition des liens dynamique 61

3.4 L'utilitaire Make 62

3.4.1 Format du fichier Makefile 62

3.4.2 Fonctionnement de l'utilitaire Make 63

3.5 Conclusion 64

4.1 La représentation des informations 65

4.1.1 Numération binaire, octale et hexadécimale 66

4.1.2 Représentation des nombres signés 69

4.1.3 Représentation des nombres flottants 74

4.1.4 Représentation des caractères 77

4.2 Les instructions machine 79

4.2.1 Les différents types d'instructions 80

4.2.2 Les différents types d'opérandes 81

4.2.3 Un exemple 82

4.3 Les instructions du langage d'assemblage 84

4.3.1 Format d'une instruction du langage d'assemblage 85

4.3.2 Fonctionnement de l'assembleur 87

4.4 Conclusion 89

Table des matièresVII

© Dunod - La photocopie non autorisée est un délit.

5.1 Les circuits logiques 90

5.1.1 Définition 90

5.1.2 Les circuits combinatoires 91

5.1.3 Les circuits séquentiels 99

5.1.4 Technologie des circuits logiques 101

5.2 Le futur... 106

Production de programmes 108

6.1 Compilation 108

6.2 Édition des liens 110

6.3 Utilitaire Make 111

6.4 Compilation 111

Représentation des informations 112

6.5 Conversions 112

6.6 Représentation des nombres signés 112

6.7 Représentation des nombres flottants 113

6.8 Synthèse 113

Langage machine 113

6.9 Manipulation des modes d'adressage 117

6.10 Programme assembleur 117

6.11 Manipulation de la pile 118

6.12 Programme assembleur 119

SOLUTIONS120

PARTIE 2 STRUCTURE DE L'ORDINATEUR

7.1 Introduction 129

7.2 Aspects externes 132

7.2.1 Le microprocesseur 132

7.2.2 Les bus 134

7.3 Aspects internes 136

7.3.1 Exécution d'une instruction machine 137

7.3.2 Microcommandes et micro-instructions 145

7.4 Les interruptions : modification du flux d'exécution d'un programme machine 154

7.4.1 Principe des interruptions 154

7.4.2 Un exemple 158

VIIIArchitecture des machines et des systèmes informatiques

7.5 Amélioration des performances 162

7.5.1 Parallélisme des instructions 163

7.5.2 Parallélisme des processeurs 165

7.6 Conclusion 166

8.1 Généralités 168

8.2 Mémoires de travail 171

8.2.1 Les mémoires vives 171

8.2.2 Les mémoires mortes 180

8.2.3 Les registres 180

8.3 Mémoires de stockage : le disque magnétique 181

8.3.1 Caractéristiques générales 182

8.3.2 Organisation générale 182

8.4 Amélioration des performances 184

8.4.1 Les mémoires caches 184

8.4.2 Mémoire virtuelle 195

8.5 Compléments : approches CISC/RISC 198

8.5.1 Les performances d'un processeur 199

8.5.2 La traduction des programmes 200

8.5.3 Approche CISC 200

8.5.4 Approche RISC 201

8.5.5 Pour conclure sur les RISC et les CISC 202

8.6 Conclusion 203

9.1 Introduction 205

9.2 Les bus 210

9.2.1 Les bus ISA (ou PC-AT), MCA et EISA 211

9.2.2 Le bus PCI (Peripherical Component Interconnect) 212

9.2.3 Le bus AGP (Accelerated Graphics Port) 216

9.2.4 Deux exemples 217

9.3 Les interfaces d'accès aux périphériques 218

9.3.1 Les unités d'échanges 219

9.3.2 Les bus d'extension 232

9.4 Les différents modèles de gestion des entrées-sorties 236

9.4.1 La liaison programmée 237

9.4.2 Entrées-sorties pilotées par les interruptions 239

9.4.3 Gestion des entrées-sorties asynchrones 241

9.5 Conclusion 244

Table des matièresIX

© Dunod - La photocopie non autorisée est un délit.

CHAPITRE 10 •EXERCICES CORRIGÉS 245

La fonction d'exécution 245

10.1 Révision 245

10.2 Microcommandes 245

10.3 CISC/RISC 246

La fonction de mémorisation 247

10.4 Cache à correspondance directe 247

10.5 Calcul de la taille réelle d'un cache 247

10.6 Cache associatif et remplacement de lignes 247

10.7 Cache à correspondance directe 248

La fonction de communication 248

10.8 Questions de cours 248

10.9 Entrées-sorties programmées et entrées-sorties par interruption 248

10.10 Performances des opérations d'entrées-sorties 249

10.11 Gestion des interruptions 249

Synthèse 250

10.12 Exercice de synthèse 250

SOLUTIONS253

PARTIE 3 LES SYSTÈMES D'EXPLOITATION

11.1 Rôle et définition d'un système d'exploitation multiprogrammé 265

11.1.1 Un premier rôle : assurer le partage de la machine physique 267

11.1.2 Un second rôle : rendre conviviale la machine physique 267

11.1.3 Définition du système d'exploitation multiprogrammé 268

11.2 Structure d'un système d'exploitation multiprogrammé 269

11.2.1 Composants d'un système d'exploitation 269

11.2.2 La norme POSIX pour les systèmes ouverts 271

11.3 Principaux types de systèmes d'exploitations multiprogrammés 271

11.3.1 Les systèmes à traitements par lots 272

11.3.2 Les systèmes interactifs 274

11.3.3 Les systèmes temps réel 275

11.4 Notions de base 276

11.4.1 Modes d'exécutions et commutations de contexte 277

11.4.2 Gestion des interruptions matérielles et logicielles 279

11.4.3 Langage de commande 282

XArchitecture des machines et des systèmes informatiques

11.5 Génération et chargement d'un système d'exploitation 285

11.5.1 Génération d'un système d'exploitation 285

11.5.2 Chargement d'un système d'exploitation 286

11.6 Conclusion 286

12.1 Notion de processus 288

12.1.1 Définitions 288

12.1.2 États d'un processus 289

12.1.3 Bloc de contrôle du processus 290

12.1.4 Opérations sur les processus 291

12.1.5 Un exemple de processus : les processus Unix 292

12.2 Ordonnancement sur l'unité centrale 295

12.2.1 Ordonnancement préemptif et non préemptif 295

12.2.2 Entités systèmes responsable de l'ordonnancement 297

12.2.3 Politiques d'ordonnancement 297

12.2.4 Exemples 302

12.3 Synchronisation et communication entre processus 304

12.3.1 L'exclusion mutuelle 305

12.3.2 Le schéma de l'allocation de ressources 309

12.3.3 Le schéma lecteurs-rédacteurs 310

12.3.4 Le schéma producteur-consommateur 312

12.4 Conclusion 314

13.1 Mémoire physique et mémoire logique 315

13.2 Allocation de la mémoire physique 317

13.2.1 Allocation contiguë de la mémoire physique 317

13.2.2 Allocation non contiguë de la mémoire physique 323

13.3 Mémoire virtuelle 336

13.3.1 Principe de la mémoire virtuelle 336

13.3.2 Le défaut de page 339

13.3.3 Le remplacement de pages 341

13.3.4 Performance 344

13.3.5 Exemples 345

13.3.6 Notion d'écroulement 346

13.4 Swapping des processus 347

13.5 Conclusion 347

Table des matièresXI

© Dunod - La photocopie non autorisée est un délit.

14.1 Le fichier logique 348

14.1.1 Définition 348

14.1.2 Les modes d'accès 349

14.1.3 Exemples 351

14.2 Le fichier physique 354

14.2.1 Structure du disque dur 354

14.2.2 Méthodes d'allocation de la mémoire secondaire 355

14.3 Correspondance fichier logique-fichier physique 366

14.3.1 Notion de répertoire 366

14.3.2 Réalisation des opérations 372

14.4 Protection 379

14.4.1 Protection contre les accès inappropriés 379

14.4.2 Protection contre les dégâts physiques 380

14.5 Conclusion 381

15.1 Définition 383

15.2 Les réseaux filaires 385

15.2.1 Architecture des réseaux filaires 385

15.2.2 Circulation des informations 393

15.2.3 Exemple de réseau filaire 396

15.3 Les réseaux sans fil 399

15.3.1 Architecture des réseaux sans fil 400

15.3.2 Circulation des informations 402

15.3.3 Exemples de réseaux sans fil 407

15.4 L'interconnexion de réseaux : Internet 409

15.4.1 Architecture de l'Internet 410

15.4.2 Circulation de l'information 410

Ordonnancement de processus 414

16.1 Algorithmes d'ordonnancement 414

16.2 Ordonnancement par priorité préemptif et non préemptif 414

16.3 Chronogramme d'exécutions 415

16.4 Ordonnancement sous Unix 415

16.5 Ordonnancement sous Linux 416

Synchronisation de processus 417

16.6 Producteur(s)-Consommateurs(s) 417

XIIArchitecture des machines et des systèmes informatiques

16.7 Allocations de ressources et interblocage 417

16.8 Allocation de ressources et états des processus 418

Gestion de la mémoire centrale 419

16.9 Gestion de la mémoire par partitions variables 419

16.10 Remplacement de pages 419

16.11 Mémoire paginée et segmentée 420

16.12 Mémoire virtuelle et ordonnancement de processus 420

16.13 Pagination à la demande 421

Système de gestion de fichiers 422

16.14 Modes d'accès 422

16.15 Organisation de fichiers 422

16.16 Noms de fichiers et droits d'accès 422

16.17 Algorithmes de services des requêtes disque 423

16.18 Fichiers Unix 423

16.19 Système de gestion de fichiers FAT 423

16.20 Système de gestion Unix 424

16.21 Synthèse 424

SOLUTIONS427

INDEX445

Chapitre 1

Structure générale

et fonctionnement d'un ordinateur 1 Dans cette partie introductive nous rappelons quelques éléments fondamentaux concer- nant la programmation et l'algorithmique afin de présenter le vocabulaire utilisé. Il ne s'agit en aucune manière de se substituer à un cours d'algorithmique mais unique- ment de replacer du vocabulaire du point de vue de la structure générale d'un ordina- teur, l'objectif étant de mettre en évidence les différentes phases qui interviennent dans la résolution d'un problème avec un ordinateur. Après cette partie introductive nous présentons les principaux modules constituant l'architecture d'un ordinateur type. Nous faisons un tour d'horizon des fonctionnalités de chacun de ces modules et de leurs relations fonctionnelles. Il s'agit ici uniquement de présenter de manière globale le fonctionnement de l'ordinateur.

1.1 INTRODUCTION

Le rôle de l'informatique est de résoudre des problèmes à l'aide d'un ordinateur. Un problème s'exprime sous la forme d'un énoncé qui spécifie les fonctions que l'on souhaite réaliser. Par exemple définir toutes les fonctions d'un traitement de texte.

Pour résoudre un problème les in

formaticiens utilisent la notion d'algorithme. Pour illustrer cette notion, prenons l'exemple du problème suivant : confectionner une omelette avec 6oeufs.

2 1•Structure générale et fonctionnement d'un ordinateur

Trouver une solution à ce problème repose sur l'existence d'un processeur sachant exécuter une instruction (confectionner). En général un adulte saura exécuter l'instruc- tion confectionner, c'est-à-dire connaîtra le sens du mot, et sera capable de faire toutes les actions nécessaires permettant de résoudre le problème. On dira alors que l'adulte est un bon processeur au sens où il saura exécuter l'instruction confec- tionner portant sur la donnée oeufs. Par contre un enfant pourra ne pas connaître le mot confectionner : il ne saura pas faire les opérations nécessaires et ne pourra donc pas résoudre le problème posé (faire une omelette). L'enfant connaît d'autres instruc- tions, sait exécuter d'autres actions que confectionner, et pour qu'il puisse résoudre le problème il faudra l'exprimer autrement, sur la base des actions, instructions, qu'il est capable d'exécuter. Pour que l'enfant puisse résoudre le problème on pourra l'exprimer sous la forme d'une séquence d'instructions appartenant au langage de l'enfant. Par exemple on pourra exprimer le problème, la solution, sous la forme de la séquence des instructions suivantes :

1.casser 6 oeufs dans un bol;

2.battre les oeufs avec un fouet;

3.saler, poivrer;

4.placer la poêle sur le gaz;

5.allumer le gaz;

6.cuisiner les oeufs;

7.éteindre le gaz.

Dans cet exemple, le processeur enfant sait exécuter des instructions (casser, battre, saler, poivrer, allumer, cuisiner...). De plus il connaît les objets à manipuler (oeufs, gaz, poêle...). On dit alors que le processeur enfant est un bon processeur pour exécuter l'algorithme représenté par la séquence précédente puisque l'enfant est capable d'exécuter cette séquence d'instructions. Cette séquence d'instructions exécu- tables par le processeur enfant est une solution du problème posé pour ce processeur.

Un algorithme peut donc se définir co

mme une séquence d'instructions exécuta- bles par un processeur déterminé. Cette séquence d'instructions, cet algorithme, est une solution au problème posé. De ce petit exemple nous pouvons tirer quelques conclusions : - un algorithme est une solution à un problème posé; - un algorithme est une séquence d'instructions exécutables par un processeur; - un algorithme est un programme exécutable par un processeur déterminé; - un algorithme n'a de sens que pour un processeur déterminé. Les instructions expriment les actions que peut exécuter un processeur, elles sont codées à partir d'un alphabet (dans notre cas l'alphabet habituel). Les instructions manipulent des données (oeufs, sel, poivre, gaz, poêle...). Un processeur (ou machine virtuelle) est une entité capable d'exécuter des instructions portant sur des données. L'ensemble des instructions que le processeur (la machine virtuelle) peut manipuler, constitue son langage de programmation. Ainsi le langage de programmation du processeur définit complètement ce processeur. Il y a équivalence totale entre laquotesdbs_dbs20.pdfusesText_26

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