4.2 Architecture de Von Neumann⚓︎
John Von Neumann (1903-1957) est un mathématicien et physicien (et bien d'autres choses) américano-hongrois. Il a le premier théorisé l'architecture des processeurs, tels qu'ils fonctionnent encore aujourd'hui.
Une chose est très importante à bien comprendre : à la base nous avons le transistor. Une combinaison de transistors (sous forme de circuit intégré) permet d'obtenir des circuits logiques, la combinaison de circuits logiques permet d'obtenir des circuits plus complexes (exemple : l'additionneur), et ainsi de suite...
Au sommet de cet édifice (on pourrait parler de poupée russe), nous allons trouver la mémoire vive (RAM) et le microprocesseur (CPU).
1. La mémoire vive⚓︎
La mémoire vive RAM (Random Acess Memory) permet de stocker des données et des programmes. Comme nous l'avons vu, l'ordinateur utilise uniquement 2 états, la mémoire va donc stocker les données sous forme de bits (0 ou 1), mais encore une fois, il ne faut pas s'imaginer que la mémoire est pleine de "petit 0" et de "petit 1", ce sont des "états électriques" qui sont stockés dans cette mémoire.
Ce sont des "états électriques" qui sont stockés 8 par 8. Ci-dessous le schéma d’un dispositif électronique de type « bascule » utile au stockage d’un seul bit
On peut se représenter la mémoire comme une série de cellules, chaque cellule étant capable de stocker 1 octet.
Chacune de ces cellules possède une adresse. Les opérations sur la mémoire sont de 2 types : lecture / écriture. Une opération de lecture consiste à aller lire l'octet situé à l'adresse mémoire XXXXX (ces adresses mémoire étant bien évidemment codées en binaire) et une opération d'écriture consiste à écrire un octet donné à l'adresse mémoire YYYYY.
2. Le microprocesseur⚓︎
Le microprocesseur CPU (Central Processing Unit) est le "coeur" d'un ordinateur : les instructions sont exécutées au niveau du CPU. Il est schématiquement constitué de 3 parties :
- les registres permettent de mémoriser de l'information (donnée ou instruction) au sein même du CPU. Leur nombre et leur taille sont variables en fonction du type de microprocesseur. Dans la suite on nommera ces registres R1, R2, R3...
- L'unité arithmétique et logique (UAL ou ALU en anglais) est chargée de l'exécution de tous les calculs que peut réaliser le microprocesseur. Nous allons retrouver dans cette UAL des circuits comme l'additionneur (voir plus haut)
- L'unité de commande permet d'exécuter les instructions (les programmes)
3. Le bus⚓︎
les données doivent circuler entre les différentes parties d’un ordinateur, notamment entre la mémoire vive et le CPU. Le système permettant cette circulation est appelé bus. Il existe, sans entrer dans les détails, 3 grands types de bus :
- Le bus d’adresse permet de faire circuler des adresses (par exemple l’adresse d’une donnée à aller chercher en mémoire)
- Le bus de données permet de faire circuler des données
- Le bus de contrôle permet de spécifier le type d’action (exemples : écriture d’une donnée en mémoire, lecture d’une donnée en mémoire).
4. Initiation à l'assembleur⚓︎
Revenons sur ces instructions aussi appelées "instructions machines" exécutées par l'unité de commande. Comme vous le savez déjà, un ordinateur exécute des programmes qui sont des suites d'instructions. Le CPU est incapable d'exécuter directement des programmes écrits, par exemple, en Python.
En effet, comme tous les autres constituants d'un ordinateur, le CPU gère uniquement 2 états (toujours symbolisés par un "1" et un "0"), les instructions exécutées au niveau du CPU sont donc codées en binaire. L'ensemble des instructions exécutables directement par le microprocesseur constitue ce que l'on appelle le "langage machine". Une instruction machine est une chaîne binaire composée principalement de 2 parties :
- le champ "code opération" qui indique au processeur le type de traitement à réaliser. Par exemple le code "00100110" donne l'ordre au CPU d'effectuer une multiplication.
- le champ "opérandes" indique la nature des données sur lesquelles l'opération désignée par le "code opération" doit être effectuée.
Pour s'initier, on va utiliser un modèle très simplifié d'un assembleur : Little Man Computer
Sur le modèle très simplifié ci-dessus on retrouve :
En noir ⚫️ et blanc ⚪️ à droite, la RAM constituée ici de 100 cellules dont les adresses vont de 0 à 99 (en binaire dans une vraie machine) et dont les contenus sont tous à 0 (pour l’instant)
Couleur saumon 🔴 à gauche, le microprocesseur. Dans cet exemple il contient :
- 3 registres : registre d’instruction, registre d’adresse, accumulateur
- son unité arithmétique et logique (tout en bas)
- son unité de commande (program counter en haut)
Retrouvez le simulateur Little Man Computer (LMC) à la page http://www.peterhigginson.co.uk/LMC/. En plus de l’image ci-dessus vous observez des périphériques :
- Input relié au microprocesseur, considérez-le comme un clavier
- Output relié au microprocesseur, considérez-le comme un écran
- Assembly Language Code, large zone en blanc à gauche qui va vous permettre de programmer LMC
Pour la personne qui doit coder dans ce langage machine il serait fastidieux (voire impossible) de saisir sans erreur des suites de 0 et de 1, il utilise donc des mnémoniques pour préparer son programme (ST signifie store pour écrire dans une mémoire, LD signifie Load pour lire une mémoire, ADD signifie ajouter, …). La traduction d’un programme rédigé en mnémoniques vers une suite d’instructions en binaire est assurée par un petit logiciel appelé assembleur. Par extension, on dit que l’on code en assembleur quand on code en mnémoniques de microprocesseur.
A faire vous–même : A gauche de l’écran (sous le mot Assembly) saisissez sur deux lignes les instructions suivantes:
| Instruction |
|---|
| INP |
| STA 20 |
👀 Observez bien les premières adresses de RAM (0,1,2,3 …) et cliquez sur submit en dessous de vos instructions.
Que s’est-il passé au niveau de la RAM ? . . .
solution
Le registre 0 a pris la valeur 901 et le registre 1 a pris la valeur 320
👀 Cliquez maintenant sur RUN (bouton gris en bas à gauche de l’écran)
Des ronds rouges 🔴 et bleus ⚪️ commencent à se déplacer et le petit androïd bleu sous le CPU vous explique ce qui se passe (en anglais). Il vous invite bientôt à saisir un nombre dans la case INPUT, faites le et 👀 observez la suite jusqu’à ce que plus rien ne se passe, « Program HALTED » vous dit-il !
Pour mieux comprendre, proposez un autre programme à LMC en remplaçant simplement STA 20 
STA 27 puis rentrez une nouvelle valeur au moment du INPUT.
Résumez en 2 lignes ce que ces programmes réalisent :
solution
La RAM charge en mémoire la valeur donnée en INPUT dans l’emplacement mémoire 20 ou 27.
Ci-dessous le jeu d’instructions de Little Man Computer (11 instructions). Créer dans un seul but d’apprentissage, il est beaucoup plus simple et moins complet que le jeu d’instructions actuel des processeurs X86 (PC et MAC) qui comprend plus de 1000 instructions.
D’autres architectures existent comme RISC ou CISC. L’architecture ARM qui domine dans le domaine de la téléphonie et des tablettes et de type RISC.
| Mnemonic | Name | Description | Op Code |
|---|---|---|---|
| INP | INPUT | Retrieve user input and stores it in the accumulator. | 901 |
| OUT | OUTPUT | Output the value stored in the accumulator. | 902 |
| LDA | LOAD | Load the Accumulator with the contents of the memory address given. | 5xx |
| STA | STORE | Store the value in the Accumulator in the memory address given. | 3xx |
| ADD | ADD | Add the contents of the memory address to the Accumulator | 1xx |
| SUB | SUBTRACT | Subtract the contents of the memory address from the Accumulator | 2xx |
| BRP | BRANCH IF POSITIVE | Branch/Jump to the address given if the Accumulator is zero or positive. | 8xx |
| BRZ | BRANCH IF ZERO | Branch/Jump to the address given if the Accumulator is zero. | 7xx |
| BRA | BRANCH ALWAYS | Branch/Jump to the address given. | 6xx |
| HLT | HALT | Stop the code | 000 |
| DAT | DATA LOCATION | Used to associate a label to a free memory address. An optional value can also be used to be stored at the memory address. |
Une instruction machine est une chaîne binaire composée principalement de 2 parties :
- le champ "code opération" qui indique au processeur le type de traitement à réaliser. Par exemple le code "00100110" donne l'ordre au CPU d'effectuer une multiplication.
- le champ "opérandes" indique la nature des données sur lesquelles l'opération désignée par le "code opération" doit être effectuée.
Chaque instruction machine est visible dans LMC en base 10 mais évidemment en base 2 « pour de vrai ».
A l’aide du jeu d’instructions, expliquez avec précision les informations que LMC a introduites dans la RAM quand vous avez enregistré votre programme (bouton submit)
solution
INP : Insère dans le registre 0, le codeop 901
STA 20 : Store the value in the Accumulator in the memory address given, ici 20
Autre exemple :
| Address | Mnemonic | Machine Code | Instruction | What it does: |
|---|---|---|---|---|
| 00 | INP | 901 | Input a number and put it in the calculator | |
| 01 | STA 99 | 399 | Store the number in the calculator in memory slot 99 | |
| 02 | INP | 901 | Input a number and put it in the calculator | |
| 03 | ADD 99 | 199 | Add the number in memory slot 99 to the number in the calculator | |
| 04 | OUT | 902 | Output the number which is now in the calculator | |
| 05 | HLT | 000 | Halt |
Que fait ce programmme ?
proposition
Additionne 2 valeurs saisies en console et affiche le résultat
LMC vous montre la circulation des informations sous forme de petits ronds rouges et bleus car elles sont de deux natures bien distinctes. 
Expliquer
solution
- En bleu : les données entrantes dans la CPU
- En rouge : les données sortantes de la CPU
Dans le microprocesseur, deux circuits de connexion bien distincts véhiculent ces deux type d’information, on les appelle des bus. C’est grâce à ces deux bus que vous pouvez voir des informations « rouges » et « bleues » circuler en même temps. Ici cela vous semble lent mais rassurez-vous, un signal électrique se propage dans une puce électronique à une vitesse proche de celle de la lumière et les distances à parcourir sont très faibles.
- La fenêtre de saisie du code
- Les deux boutons - pour charger le code en mémoire puis exécuter
- La fenêtre pour une entrée, le cas échéant - pas nécessaire
- Un indicateur qui montre la progression du code - étape par étape
- Emplacements mémoire où sont stockées les instructions et les données, comme spécifié dans l'architecture von Neumann - 100 cellules, de 00 à 99.
- La fenêtre pour la/les sortie(s) pendant l'exécution du code
- Options de contrôle du flux d'exécution - du lent au rapide, etc.
La meilleure façon d'apprendre le LMC est d'exécuter progressivement un ensemble de codes, du plus simple au plus avancé, plutôt que de faire l'effort de comprendre pleinement le simulateur dès le début. C'est l'approche adoptée dans ce tutoriel.
A vous de jouer :
1 - Charger (INPUT) et réafficher une valeur
solution
INP
STA 20
OUT
2 - Charger 2 valeurs, calculer et afficher la somme des 2
solution
text
INP
STA 20
INP
STA 30
LDA 20
ADD 30
OUT
HLTtext
3 - Charger 3 valeurs, calculer et afficher la somme des 3
solution
4 - Charger 2 valeurs et afficher la différence (1er – 2ème)
solution
INP
STA A
INP
STA B
LDA A
SUB B
OUT
HLT
5 - Charger 2 valeurs et afficher la plus grande des deux
solution
INP
STA A
INP
STA B
LDA A
SUB B
BRP isPositive
LDA B
OUT
HLT
isPositive LDA A
HLT
A DAT
B DAT
👀 Observez vos programmes tourner et indiquez.
- Ce que l’on voit en permanence dans la case Program Counter (PC) :
solution
Le Compteur de Programme contient l'adresse de la prochaine instruction que le Petit Homme va effectuer
- Pourquoi la case Instruction Register n’a qu’un seul chiffre ?
solution
Le premier chiffre d'une instruction numérique représente la commande à effectuer et les deux derniers chiffres représentent l'adresse mémoire de la boîte aux lettres concernée par cette commande.
- Quand l’ALU est-elle sollicitée ?
solution
Exécution de tous les calculs de microprocesseur
Contenu de la mémoire
Comme indiqué par l'architecture de von Neumann, la mémoire contient à la fois les instructions et les données. Il est par conséquent nécessaire de faire attention à bien empêcher le Compteur de Programme d'atteindre une adresse mémoire contenant des données autrement le Petit Homme tentera de la traiter comme une instruction.
4. Architecture de von Neumann⚓︎
A lire : Interstices : le modèle d'architecture de von neumann
Comme vous avez pu le constater dans les exemples ci-dessus, les données et les instructions sont stockées en mémoire vive, les données et les instructions se partagent la mémoire vive (il n'y a pas une mémoire pour les instructions et une mémoire différente pour les données). C'est John von Neumann (mathématicien et physicien américano-hongrois 1903-1957) qui a eu l'idée en 1945 d'utiliser une structure de stockage unique pour les données et les instructions, voilà pourquoi on parle d'architecture de von Neumann. Encore aujourd'hui, tous les ordinateurs fonctionnent sur ce principe défini par von Neumann.
À noter que John von Neumann était un véritable génie "touche à tout" puisqu'il a laissé son nom dans l'histoire de la mécanique quantique, dans l'histoire de la théorie des ensembles...et comme nous venons de le voir, dans l'histoire de l'informatique. Il a aussi participé à l'élaboration de la bombe atomique américaine lors de la 2e guerre mondiale (projet Manhattan).
Pendant des années, pour augmenter les performances des ordinateurs, les constructeurs augmentaient la fréquence d'horloge des microprocesseurs : la fréquence d'horloge d'un microprocesseur est liée à sa capacité d'exécuter un nombre plus ou moins important d'instructions machines par seconde. Plus la fréquence d'horloge du CPU est élevée, plus ce CPU est capable d'exécuter un grand nombre d'instructions machines par seconde (en fait, c'est un peu plus compliqué que cela, mais nous nous contenterons de cette explication).
Comme vous pouvez le remarquer sur le graphique ci-dessus, à partir de 2006 environ, la fréquence d'horloge a cessé d'augmenter, pourquoi ? À cause d'une contrainte physique : en effet plus on augmente la fréquence d'horloge d'un CPU, plus ce dernier chauffe. Il devenait difficile de refroidir le CPU, les constructeurs de microprocesseurs (principalement Intel et AMD) ont décidé d'arrêter la course à l'augmentation de la fréquence d'horloge, ils ont décidé d'adopter une nouvelle tactique.
Il n'est plus vraiment possible d'augmenter les performances en augmentant la fréquence d'horloge des CPU, et bien augmentons le nombre de coeurs présent sur un CPU ! Mais qu'est qu'un coeur dans un microprocesseur ? Dans un microprocesseur, un coeur est principalement composé : d'une UAL, de registres (R0, R1...) et d'une unité de commande, un coeur est donc capable d'exécuter des programmes de façon autonome. La technologie permettant de graver toujours plus de transistors sur une surface donnée, il est donc possible, sur une même puce, d'avoir plusieurs coeurs, alors qu'auparavant on trouvait un seul coeur dans un CPU. Cette technologie a été implémentée dans les ordinateurs grand public à partir de 2006. Aujourd'hui (en 2019) on trouve sur le marché des CPU possédant jusqu'à 18 coeurs ! Même les smartphones possèdent des microprocesseurs multicoeurs : le Snapdragon 845 possède 8 coeurs.
On pourrait se dire que l'augmentation du nombre de coeurs entraîne obligatoirement une augmentation des performances du CPU, en faite, c'est plus que complexe que cela : pour une application qui n'aura pas été conçue pour fonctionner avec un microprocesseur multicoeur, le gain de performance sera très faible, voir même nul. En effet, la conception d'applications capables de tirer profit d'un CPU multicoeur demande la mise en place de certaines techniques de programmation (techniques de programmation qui ne seront pas abordées ici). Il faut aussi avoir conscience que les différents coeurs d'un CPU doivent se "partager" l'accès à la mémoire vive : quand un coeur travaille sur une certaine zone de la RAM, cette même zone n'est pas accessible aux autres coeurs, ce qui, bien évidemment va brider les performances. De plus, on trouve à l'intérieur des microprocesseurs de la mémoire "ultrarapide" appelée mémoire cache (il ne faut pas confondre mémoire cache et registres).
Le CPU peut stocker certaines données dans cette mémoire cache afin de pouvoir y accéder très rapidement dans le futur, en effet, l'accès à la mémoire cache est beaucoup plus rapide que l'accès à la RAM. La mémoire cache ayant un coup assez important, la quantité présente au sein d'un CPU est assez limitée, les différents coeurs vont donc devoir se partager cette mémoire cache, ce qui peut aussi provoquer des ralentissements (en faite il existe plusieurs types de mémoire cache appelés L1, L2 et L3, chaque coeur possède son propre cache L1, alors que les caches L2 et L3 sont partagés par les différents coeurs).
Loi de Moore
La loi de Moore est une observation faite par Gordon Moore, co-fondateur d'Intel, en 1965. Il a prédit que le nombre de transistors sur une puce de microprocesseur doublerait environ tous les deux ans.
Cette prédiction a été remarquablement précise pendant plusieurs décennies et a servi de guide pour l'industrie des semi-conducteurs, stimulant les progrès technologiques et la réduction des coûts.
Les défis actuels pour continuer à suivre la loi de Moore sont nombreux et complexes. Voici quelques-uns des principaux obstacles :
- Limites physiques : À mesure que les transistors approchent de la taille atomique, il devient de plus en plus difficile de les miniaturiser davantage sans rencontrer des problèmes de fiabilité et de performance.
- Dissipation de chaleur : Plus les transistors sont petits, plus ils génèrent de chaleur. Gérer cette chaleur pour éviter la surchauffe des puces est un défi majeur.
- Consommation d'énergie : La réduction de la taille des transistors entraîne souvent une augmentation de la consommation d'énergie, ce qui pose des problèmes pour l'efficacité énergétique des dispositifs.
- Coûts de fabrication : Les technologies nécessaires pour continuer à réduire la taille des transistors sont de plus en plus coûteuses, ce qui peut limiter les investissements et ralentir les progrès.
- Nouveaux matériaux et technologies : Pour surmonter les limites des matériaux actuels, il est nécessaire de développer de nouveaux matériaux et technologies, comme l'informatique quantique et les transistors en 3D.