Francois Lesueur
2 years ago
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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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