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CM3 Architecture - Notes de cours
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J'ai quoi dans un ordinateur ?
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- Carte mère
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- CPU
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- RAM
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- Cartes d'extension
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- Disques
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[Architecture de Von Neumann](https://fr.wikipedia.org/wiki/Architecture_de_von_Neumann) :
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- Une unité arithmétique et logique : calcul
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- Une unité de contrôle : séquençage
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- De la mémoire : volatile (RAM), permanente (disque), contenant à la fois du code et des données
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- Des Entrées/Sorties : bus de communication (PCI-e, USB, SATA, Mémoire...), périphériques, monde extérieur
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Parlons du CPU
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Un CPU c'est quoi ?
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- Un ensemble de cœurs de calcul (1 à ~16)
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- De la mémoire cache (différents niveaux plus ou moins partagés entre les cœurs)
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- Packagés ensemble
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- Soudé ou connecté (via un socket) sur la carte-mère
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- (On parle de SoC si le CPU est lui-même packagé avec RAM et périphériques)
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Un cœur (core) = un _pipeline_ (chaîne de traitement)
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- Lié au temps de propagation/stabilisation du signal en sortie
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- Concept : découper la chaîne en plusieurs sous-chaînes plus courtes (exemple Fetch, Decode, Execute)
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- La fréquence / vitesse d'horloge = le temps d'une étape du pipeline
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- Pourquoi s'arrêter là ?
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- Par exemple 10 sous-chaînes, 10 fois plus de traitement !
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- Jusque 31 chez Intel à une époque, aujourd'hui plutôt une quinzaine mais avec un cadre plus complexe
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- La limite : les branchements / le code non-linéaire. Si on a mal exécuté, il faut vider le pipeline et reprendre la bonne chaîne (temps perdu, évidemment)
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- Et donc de la prédiction, de la réorganisation (out-of-order) et de l'entremêlage (hyper-threading) pour
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- faire le bon choix le plus souvent possible
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- limiter l'impact d'un mauvais choix
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- => Complexité + attaques hardware de la famille [Spectre](https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectre_(vuln%C3%A9rabilit%C3%A9))
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Évolution :
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- Loi de Moore : ~ doublement de la puissance tous les 18 mois
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- Jusqu'au début des années 2000 : par amélioration architecturale et augmentation de la fréquence
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- Depuis : par amélioration architecturale et augmentation du nombre de cœurs (fréquence stagne)
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- => Exécution parallèle nécessaire pour tirer profit des architectures modernes
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Quelques éléments qui caractérisent un CPU :
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- Marque/Modèle (ce qui implique son architecture)
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- Jeu d'instructions (architecture) / nombre de bits (32 ou 64 aujourd'hui)
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- Fréquence (rythme d'exécution des instructions)
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- Nombre de cœurs physiques
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- Nombre de cœurs logiques (hyper-threading)
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- Longueur du pipeline
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Quelques exemples d'architectures :
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- x86(-64) pour PC/Mac, CPUs conçus par Intel et AMD
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- ARM (nombreuses versions) pour smartphones, SBC (Raspberry) et Mac modernes (Apple Silicon)
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- AVR pour de nombreux Arduino, conçus par Atmel
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Un peu de mémoire
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Du plus rapide et plus petit au plus lent et plus gros (on parle de [hiérarchies mémoires](https://fr.wikipedia.org/wiki/Hi%C3%A9rarchie_de_m%C3%A9moire)), avec quelques ordres de grandeur :
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- Des registres :
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- À l'intérieur de l'unité de calcul du CPU
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- C'est de là que sont faits les calculs
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- Exemple x64 : 16 registres généraux de 64 bits : 1ko (1 kilooctet = 1024 octets)
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- De la mémoire cache :
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- Sur le silicium du CPU mais séparé de l'unité de calcul
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- Plusieurs niveaux de cache (L1 à L3)
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- Quelques MO (jusque 20aine), les plus rapides liée à un cœur, les plus loins partagés (1 mégaoctet = 1024 kilooctets)
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- Vitesse de l'ordre de 0,5-1 To/s
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- De la mémoire vive (RAM) :
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- Sur la carte mère, séparé du CPU
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- Quelques Go (environ 4 Go sur un portable de base) (1 gigaoctet = 1024 mégaoctets)
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- Vitesse de l'ordre de 5-50 GO/s
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- De la mémoire de stockage (disque dur) :
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- Périphérique branché sur la carte mère (SATA, SAS, ...)
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- Quelques To (1 téraoctet = 1024 gigaoctets)
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- Vitesse de l'ordre de 100 Mo/s (disque dur), 500 Mo/s (SSD)
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Couches d'abstraction / Bas et haut niveau
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Découpage en couches :
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- Matériel / _Hardware_
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- Système d'exploitation / _OS_
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- Logiciels / _Software_
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- Encapsulation (poupées russes) :
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- Virtualisation (VMWare, Virtualbox, ...) : un logiciel qui simule un matériel
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- Conteneurisation (Docker, LXC, ...) : un logiciel qui simule un système d'exploitation
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- Des langages s'exécutant dans une machine virtuelle dédiée : Java (la JVM), C# (.Net Framework), ...
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Similairement des langages :
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- Binaire
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- Assembleur
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- C
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- Java, Python
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