CM4 Architecture - Notes de cours

J'ai quoi dans un ordinateur ?

Une unité arithmétique et logique : calcul
Une unité de contrôle : séquençage
De la mémoire : volatile (RAM), permanente (disque), contenant à la fois du code et des données
Des Entrées/Sorties : bus de communication (PCI-e, USB, SATA, Mémoire...), périphériques, monde extérieur

Un CPU c'est quoi ?

Un cœur (core) = un pipeline (chaîne de traitement)

Lié au temps de propagation/stabilisation du signal en sortie
Concept : découper la chaîne en plusieurs sous-chaînes plus courtes (exemple Fetch, Decode, Execute)
La fréquence / vitesse d'horloge = le temps d'une étape du pipeline
Pourquoi s'arrêter là ?
- Par exemple 10 sous-chaînes, 10 fois plus de traitement !
- Jusque 31 chez Intel à une époque, aujourd'hui plutôt une quinzaine mais avec un cadre plus complexe
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)
Et donc de la prédiction, de la réorganisation (out-of-order) et de l'entremêlage (hyper-threading) pour
- faire le bon choix le plus souvent possible
- limiter l'impact d'un mauvais choix
=> Complexité + attaques hardware de la famille Spectre

Évolution :

Loi de Moore : ~ doublement de la puissance tous les 18 mois
Jusqu'au début des années 2000 : par amélioration architecturale et augmentation de la fréquence
Depuis : par amélioration architecturale et augmentation du nombre de cœurs (fréquence stagne)
=> Exécution parallèle nécessaire pour tirer profit des architectures modernes

Quelques éléments qui caractérisent un CPU :

Quelques exemples d'architectures :

x86(-64) pour PC/Mac, CPUs conçus par Intel et AMD
ARM (nombreuses versions) pour smartphones, SBC (Raspberry) et Mac modernes (Apple Silicon)
AVR pour de nombreux Arduino, conçus par Atmel

Du plus rapide et plus petit au plus lent et plus gros (on parle de hiérarchies mémoires), avec quelques ordres de grandeur :

Des registres :
- À l'intérieur de l'unité de calcul du CPU
- C'est de là que sont faits les calculs
- Exemple x64 : 16 registres généraux de 64 bits : 1ko (1 kilooctet = 1024 octets)
De la mémoire cache :
- Sur le silicium du CPU mais séparé de l'unité de calcul
- Plusieurs niveaux de cache (L1 à L3)
- Quelques MO (jusque 20aine), les plus rapides liée à un cœur, les plus loins partagés (1 mégaoctet = 1024 kilooctets)
- Vitesse de l'ordre de 0,5-1 To/s
De la mémoire vive (RAM) :
- Sur la carte mère, séparé du CPU
- Quelques Go (environ 4 Go sur un portable de base) (1 gigaoctet = 1024 mégaoctets)
- Vitesse de l'ordre de 5-50 GO/s
De la mémoire de stockage (disque dur) :
- Périphérique branché sur la carte mère (SATA, SAS, ...)
- Quelques To (1 téraoctet = 1024 gigaoctets)
- Vitesse de l'ordre de 100 Mo/s (disque dur), 500 Mo/s (SSD)

Découpage en couches :

Matériel / Hardware
Système d'exploitation / OS
Logiciels / Software
Encapsulation (poupées russes) :
- Virtualisation (VMWare, Virtualbox, ...) : un logiciel qui simule un matériel
- Conteneurisation (Docker, LXC, ...) : un logiciel qui simule un système d'exploitation
- Des langages s'exécutant dans une machine virtuelle dédiée : Java (la JVM), C# (.Net Framework), ...

Similairement des langages :