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Architectures

Logicielles

Mat´erielles

P. Amblard, J.-C. Fernandez,

F. Lagnier, F. Maraninchi,

P. Sicard, Ph. Waille

2 IV IV

Table des mati`eres

Introduction1

1 Qu"est-ce qu"un ordinateur? 5

1. Notion d"information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2. L"ordinateur : une machine qui ex´ecute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

3. O`u sont le mat´eriel et le logiciel? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

4. Fonctionnalit´es des ordinateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

5. Plan du livre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

I Outils de base de l"algorithmique logicielle

et mat´erielle 23

2 Alg`ebre de Boole et fonctions bool´eennes 25

1. Alg`ebre de Boole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

2. Fonctions bool´eennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

3. Repr´esentation des fonctions bool´eennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

4. Manipulation de repr´esentations de fonctions bool´eennes . . . . . . . . . . . .38

5. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

3 Repr´esentation des grandeurs 49

1. Notion de codage d"informations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

2. Les naturels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

3. Les relatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58

4. Lien entre l"arithm´etique et les bool´eens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

5. Les caract`eres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65

6. Les nombres r´eels, la virgule flottante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

7. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67

4 Repr´esentation des traitements et des donn´ees : langage d"actions 75

1. Un langage d"actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76

2. Repr´esentation des donn´ees en m´emoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82

3. Traduction des affectations g´en´erales en acc`es au tableauMEM. . . . . . . .90

4. Utilisation des pointeurs et gestion dynamique de la m´emoire . . . . . . . . .91

5. Piles, files et traitements associ´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95

6. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96

5 Repr´esentation des traitements et des donn´ees :

machines s´equentielles 101

1. Machines s´equentielles simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101

2. Machines s´equentielles avec actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109

VITable des mati`eres6 Temps, donn´ees temporelles et synchronisation 121

1. Interface entre un dispositif informatique et un environnement physique . . .122

2. Signaux logiques et repr´esentation par des chronogrammes . . . . . . . . . . .126

3. Probl`emes de synchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127

4. Un exemple : la machine `a caf´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133

II Techniques de l"algorithmique mat´erielle 135

7 De l"´electron aux dispositifs logiques 137

1. Ph´enom`enes `a l"´echelle atomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137

2. Ph´enom`enes `a l"´echelle ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140

3. Ph´enom`enes `a l"´echelle logique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143

4. Circuits logiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148

5. Fabrication des dispositifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156

6. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162

8 Circuits combinatoires 165

1. Notion de circuit combinatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166

2. Assemblage de blocs de base... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173

3. Algorithmique cˆabl´ee : conception logique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178

4. Etude de cas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186

5. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188

9 El´ements de m´emorisation 191

1. Points de m´emorisation de bits : bascules et registres . . . . . . . . . . . . . .192

2. La m´emoire : organisation matricielle des points de m´emorisation . . . . . . .203

3. R´ealisation des m´emoires statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .207

4. Optimisations et techniques particuli`eres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210

10 Circuits s´equentiels 215

1. Notion de circuit s´equentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216

2. Synth`ese des automates d´ecrits par leur graphe . . . . . . . . . . . . . . . . .222

3. Synth`ese des circuits s´equentiels par flots de donn´ees . . . . . . . . . . . . .233

4. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240

11 Conception de circuits s´equentiels par s´eparation du

contrˆole et des op´erations 243

1. Principe g´en´eral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .244

2. Notion de partie op´erative type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245

3. Partie contrˆole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249

4. Etudes de cas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253

5. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263

III Techniques de l"algorithmique logicielle 267

12 Le langage machine et le langage d"assemblage 269

1. Le langage machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270

2. Le langage d"assemblage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .296

3. Traduction du langage d"assemblage en langage machine . . . . . . . . . . . .302

4. Un exemple de programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302

5. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .308

Table des mati`eresVII13 Traduction des langages `a structure de blocs en langage d"assemblage 313

1. Cas des programmes `a un seul bloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314

2. Cas des programmes `a plusieurs blocs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .319

3. Traduction en langage d"assemblage : solutions globales . . . . . . . . . . . .334

4. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .343

IV A la charni`ere du logiciel et du mat´eriel... 349

14 Le processeur : l"interpr`ete cˆabl´e du langage machine 351

1. Les principes de r´ealisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .352

2. Exemple : une machine `a 5 instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .355

3. Une r´ealisation du processeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .356

4. Critique et am´elioration de la solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .360

5. Extensions du processeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .364

6. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367

V Architecture d"un syst`eme mat´eriel

et logiciel simple 375

Un syst`eme mat´eriel et logiciel simple 377

15 Relations entre un processeur et de la m´emoire 381

1. Le bus m´emoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .381

2. Utilisation de plusieurs circuits de m´emoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . .385

3. Acc`es `a des donn´ees de tailles diff´erentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .389

4. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395

16 Circuits d"entr´ees/sorties 397

1. Notion d"entr´ees/sorties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .397

2. Synchronisation entre le processeur et un p´eriph´erique . . . . . . . . . . . . .399

3. Connexion d"organes p´eriph´eriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .400

4. Programmation d"une sortie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .402

5. Programmation d"une entr´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .408

6. Optimisation des entr´ees/sorties group´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .409

7. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .415

17 Pilotes de p´eriph´eriques 417

1. Structure d"un pilote de p´eriph´erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .418

2. Pilote pour un clavier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .419

3. Pilote pour un disque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .423

4. Pour aller plus loin... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .432

18 Vie des programmes 435

1. Interpr´etation et compilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .436

2. Compilation s´epar´ee et code translatable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .442

3. Format des fichiers objets translatables et ´edition de liens . . . . . . . . . . .454

19 Syst`eme de gestion de fichiers 463

1. Situation du syst`eme de gestion de fichiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .465

2. Structure des donn´ees et influence sur l"implantation . . . . . . . . . . . . . .466

3. Implantation dispers´ee sur un disque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470

4. Noms externes et autres informations attach´ees aux fichiers . . . . . . . . . .476

VIIITable des mati`eres5. Etude de quelques fonctions du syst`eme de gestion de fichiers . . . . . . . . .477

20 D´emarrage du syst`eme, langage de commandes et interpr`ete 483

1. D´emarrage du syst`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .484

2. M´ecanisme de base : le chargeur/lanceur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .485

3. Programmation de l"interpr`ete de commandes . . . . . . . . . . . . . . . . . .495

4. Fonctions ´evolu´ees des interpr`etes de commandes . . . . . . . . . . . . . . . .501

VI Architecture des syst`emes mat´eriels

et logiciels complexes 503

21 Motivations pour une plus grande complexit´e 505

1. Qu"appelle-t-on syst`eme complexe? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .505

2. Scrutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .507

3. M´ecanisme d"interruption : d´efinition et types d"utilisations . . . . . . . . . .508

4. Plan de la suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .510

22 Le m´ecanisme d"interruption 511

1. Architecture d"un processeur pour la multiprogrammation . . . . . . . . . . .511

2. Introduction d"un m´ecanisme de scrutation ´el´ementaire . . . . . . . . . . . . .515

3. Un exemple d´etaill´e d"utilisation : mise `a jour de la pendule . . . . . . . . . .521

4. Notion de concurrence et d"atomicit´e des op´erations . . . . . . . . . . . . . .528

5. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .530

23 Partage de temps et processus 531

1. Principe et d´efinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .531

2. Structures de donn´ees associ´ees aux processus . . . . . . . . . . . . . . . . . .536

3. Organisation du traitant de commutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .539

4. Cr´eation et destruction de processus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .546

5. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .550

24 G´en´eralisation du m´ecanisme d"interruption et applications 551

1. Classification des diff´erentes sources d"interruption . . . . . . . . . . . . . . .552

2. Protection entre processus, notion de superviseur . . . . . . . . . . . . . . . .559

3. Entr´ees/sorties g´er´ees par interruption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .565

4. Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .570

Index571

Bibliographie 577

Introduction

Ce qu"on trouvera dans ce livre

Ce livre suit d"assez pr`es l"enseignement dispens´e en Licence d"informatique `a l"Universit´e Joseph Fourier de Grenoble. L"enseignement a le mˆeme titre : Architectures Logicielles et Mat´erielles. Il est dispens´e en environ 150 heures de cours, Travaux Dirig´es et Travaux Pratiques. L"objectif est d"expliquer `a de futurs sp´ecialistes d"informatique le fonction- nement de l"ordinateur. Pour cela nous faisons un certain nombre de choix, nous prenons parti. Pourcomprendrele fonctionnement, il faut se placer du point de vue du concepteurd"ordinateur. Le lecteur trouvera donc dans ce livre une d´emarche de conception de machines. Il ne s"agit pourtant pas de lui faire croire au r´ealisme de cette conception. En effet la v´eritable conception d"une machine, c"est-`a-dire de son mat´eriel - du microprocesseur `a la m´emoire, en passant par la carte gra- phique - et de son logiciel - du syst`eme d"exploitation aux compilateurs - repr´esente des centaines de milliers d"heures de travail de sp´ecialistes. Nous ne d´ecrivons qu"une partie du travail, en choisissant les points qui nous semblent les plus significatifs dans cette conception. D"autre part nous insistons sur les liaisons entre diff´erents aspects de la conception. En particulier, l"une des id´ees fortes de ce livre est l"´etroite compl´ementarit´e des aspects logiciels et mat´eriels des ordinateurs. L"id´ee centrale, et le chapitre central de ce livre, montrent donc comment du mat´eriel ex´ecute du logiciel. Le contenu de ce livre ne devrait pas se p´erimer, sauf si des principes vraiment nouveaux apparaissent en informatique et se g´en´eralisent.

Ce qu"on ne trouvera pas dans ce livre

En revanche ce livre ne d´ecrit pas les aspects les plus avanc´es utilis´es dans les machines actuelles. Ces aspects font l"objet d"enseignements sp´ecifiques de syst`emes d"exploitation, de compilation ou d"architectures des machines, dans lesquels, en g´en´eral, on ne se pr´eoccupe que d"un aspect. Ce livre constitue un pr´erequis pour de tels enseignements car il montre les relations entre les 3 domaines.

2IntroductionParmi les th`emes tr`es int´eressants que nous avons d´elib´erement ´ecart´es (et

r´eserv´es pour le tome 2!) figurent :-L"´etude fine des fonctionnalit´es d"un syst`eme d"exploitation particulier.

Beaucoup de nos r´ef´erences sont inspir´ees d"unix1.-L"´etude de la hi´erarchie m´emoire (cache et m´emoire virtuelle), que nous

passons totalement sous silence.-L"´etude d´etaill´ee d"un langage d"assemblage d"un processeur donn´e. Beau-

coup de nos r´ef´erences sont inspir´ees dusparc2ou du Motorola 680003.-L"´etude des techniques de conception de circuits micro-´electroniques. Par

exemple nous ne parlons ni de consommation, ni de circuits asynchrones.-L"´etude des techniques d"optimisation des performances des proces-

seurs. Nous ne d´eveloppons pas les techniques de pipeline, ni celles de

r´eordonnancement dynamique du flot d"ex´ecution des instructions.-Les entr´ees/sorties tr`es particuli`eres que constituent les acc`es d"un ordina-

teur `a un r´eseau, ce qui demanderait un d´eveloppement sp´ecifique.

Comment lire ce livre?

M´ethode de travail

On peut lire ce livre comme un roman, de la premi`ere `a la derni`ere page. On peut ´egalement le lire avec une salle de Travaux Pratiques `a port´ee de la main, pour essayer toutes les techniques ´evoqu´ees, les comparer, les analyser en d´etail, etc. On peut essayer de r´esoudre tous les exercices et envoyer les solutions aux auteurs, qui se feront un plaisir de les corriger : Paul.Amblard@imag.fr Jean-Claude.Fernandez@imag.fr Fabienne.Lagnier@imag.fr Florence.Maraninchi@imag.fr

Pascal.Sicard@imag.fr Philippe.Waille@imag.fr

On peut enfin essayer de trouver des erreurs, de fond et de forme, et on y parviendra certainement.

Th`emes

On peut privil´egier une approche centr´ee sur les langages de programma- tion, leur traduction et la fa¸con dont ils sont ex´ecut´es. Sur la figure 0.1 cela correspond aux fl`eches en traits gras.1 marque d´epos´ee, et dans la suite de l"ouvrage nous ne pr´eciserons plus que les noms de syst`emes et de machines sont, ´evidemment, d´epos´es.

2marque d´epos´ee

3marque d´epos´ee

Introduction320 : Interpr`ete

de commandes18 : Vie des programmesdonn´ees

4 5 : Repr´esentation

des traitements et

15 : Liaisons m´emoire

processeur7 : Electronique

8 : Circuits

combinatoires9 : El´ements de m´emorisation2 : Alg`ebre de Boole

6 : Aspects temporels

14 : LE PROCESSEUR1 : L"ORDINATEUR

10 11 : Circuits

s´equentielsdes grandeurs

3 : Repr´esentation

19 : Gestion de fichiers

16 17 : Mat´eriel et

logiciel d"entr´ees / sorties

21 `a 24 :Syst`eme complexe

ProcessusInterruptionsmachine et

d"assemblage12 13 : Langages Fig.0.1 - Relations de d´ependance des principales id´ees utilis´ees dans les 24 chapitres. La zone gris´ee correspond plutˆot au monde du logiciel, la zone blanche au mat´eriel.

4IntroductionOn peut privil´egier une approche de conception des circuits digitaux et

d"architecture de machine. Sur la figure 0.1 cela correspond aux fl`eches en traits larges et hachur´es. On peut privil´egier une approche centr´ee sur l"architecture de haut niveau et les syst`emes d"exploitation. Sur la figure 0.1 cela correspond aux fl`eches en traits pointill´es. Il n"en reste pas moins que les auteurs ont cherch´e `a mettre l"accent sur la globalit´e et la compl´ementarit´e des 3 approches. Index Les mots en italique apparaissent souvent en index. Dans l"index, les num´eros de page en gras indiquent les occurrences de d´efinition des mots. Les autres num´eros indiquent des occurrences d"utilisation des mots, parfois ant´erieures `a leur d´efinition, parfois post´erieures.

Remerciements

Les id´ees, principes, techniques, outils, m´ethodes, pr´esent´es dans ce livre ne sont pas les r´esultat de nos d´ecouvertes. Nous avons re¸cu des enseigne- ments, puis nous avons lu, essay´e, enseign´e. Sans ceux qui nous ont pr´ec´ed´es ce livre n"existerait pas. Sans celles et ceux qui ont enseign´e avec nous le mo- duleArchitectures Logicielles et Mat´eriellesau fil des ann´ees il serait sans doute plus pauvre. En particulier Catherine, Danielle, Jo¨elle, Jean-Louis et Jean-Paul reconnaˆıtront certaines de leurs bonnes influences. Les mauvaises viennent d"ailleurs!

Chapitre 1

Qu"est-ce qu"un ordinateur?

Unordinateurest une machine, presque toujours ´electronique, qui ex´ecute des programmes. Ces programmes traitent des donn´ees. Une machine ´electronique est un objet. Par opposition, les programmes et les donn´ees sont des informations. Cette opposition est celle qui existe entremat´erieletlogi- ciel. L"ensemble du livre est consacr´e `a montrer de fa¸con d´etaill´ee comment ces deux univers se rencontrent pour former l"architecturede l"ordinateur. Dans ce premier chapitre, nous faisons un tr`es rapide survol permettant de situer les

notions avant de les d´ecrire de fa¸con d´etaill´ee.Le paragraphe 1. d´ecrit ce qu"est une information et sa repr´esentation.

Cela nous permet de parler de programmes. Puis nous d´ecrivons une machine `a ex´ecuter les programmes et nous insistons sur la notion d"ex´ecution dans le paragraphe 2. Cela nous permet au paragraphe 3. de montrer les diff´erents mat´eriels et logiciels pr´esents dans l"ordinateur. Nous ´evoquons enfin les usages de l"ordinateur au paragraphe 4.

1. Notion d"information

Uneinformationest une entit´e abstraite, li´ee `a la notion de connaissance. Nous nous int´eressons naturellement aux informations d"un point de vue tech- nique en informatique, non d"un point de vue journalistique. Nous donnons diff´erentes facettes de l"information et s´eparons l"´etude des informations de celle des objets.

1.1 Quelques aspects d"une information

Nous avons besoin pour cerner la notion d"information de donner l"origine possible d"une information et de montrer la n´ecessit´e de ses repr´esentations pour pouvoir envisager les manipulations d"informations dans les ordinateurs.

6Qu"est-ce qu"un ordinateur?1.1.1 Origine d"une information

Une information peut ˆetre en relation avec une grandeur physique, l"ori- gine ´etant par exemple m´ecanique (forme, dimensions, emplacements d"objets, intensit´e d"une force), ´electromagn´etique (amplitude, fr´equence ou phase d"un signal ´electrique, d"une onde ´electromagn´etique), ´electrochimique (PH d"un liquide, potentiel ´electrochimique d"une cellule nerveuse).

1.1.2 Nom, valeur et combinaison d"informations

Une information a unnom: "la temp´erature mesur´ee au sommet de la Tour Eiffel", "le caract`ere tap´e au clavier", "le montant de mon compte en banque". Une information a unevaleur`a un certain moment : 37 degr´es, "A", 5 000 F. La pluspetiteinformation possible est une r´eponse par oui ou par non (on parle de r´eponsebool´eenne) : le nombre est pair ou impair, le caract`ere est une lettre ou pas une lettre, le point de l"´ecran est allum´e ou ´eteint, la lettre est une majuscule ou non, la touche de la souris est enfonc´ee ou non. Une telle petite information constitue unbit. L"ensemble des valeurs possibles peut ˆetre fini (comme pour les caract`eres), ou potentiellement infini (comme pour mon compte en banque!). Un en- semble infini de valeurs peut pr´esenter des variationscontinues, c"est-`a-dire qu"entre deux valeurs possibles il y a une valeur possible. C"est le cas pour la temp´erature. Les variations sontdiscr`etesdans le cas contraire. Le solde de mon compte en banque peut ˆetre de 123,45 F ou de 123,46 F, mais pas d"une valeur entre les deux, car la banque arrondit les sommes au centime le plus proche. Diff´erentes informations peuvent se combiner soit dans l"espace (les mon- tants des comptes en banque de diff´erents clients) soit dans le temps (l"histo- rique des variations de mon compte).quotesdbs_dbs22.pdfusesText_28

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