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Architecture des machines : le modèle de Von Neumann #
Un esprit universel #
John Von Neumann : mathématicien, informaticien, ingénieur… Participa au projet Manhattan (première bombe atomique) et à l’ENIAC
En 1944, il propose un modèle d’architecture novateur qui sert toujours de base à l’architecture des ordinateurs actuels.
Modèle de Von Neumann #
- Processeur : composé de deux unités
- Unité de commande : contrôle la séquence d’instructions
- Unité arithmétique : exécute les instructions
- Mémoire : contient les données et les programmes. mémoire volatile (qui s’efface après redémarrage, mais rapide) et de masse (stockage)
- Entrées : clavier, cartes perforées, etc.
- Sorties : affichage, imprimante, écran
La nouveauté principale est de regrouper les programmes et les données dans une seule mémoire. Les programmes deviennent des données qu’on peut manipuler.
Historique de la machine #
Avant d’entrer dans le détail, bref historique
Préhistoire informatique #
- Compter : les doigts, les orteils et des outils.
- Concevoir des machines pour réaliser des calculs (calculi mot latin qui signifie “cailloux”). Exemple : Le boulier, découvert indépendamment par de nombreuses civilisations
Antiquité : naviguer #
La machine d’Anticythère, découverte en 1900 et datant de -87 avant J.-C. servait à calculer les positions astronomiques et donc à naviguer
Elle démontre que :
- Calculer a toujours été une entreprise importante
- L’homme s’est toujours montré d’une très grande ingéniosité pour y parvenir
Cette machine a été retrouvée dans un bateau assez quelconque, elle laisse supposer que ce genre d’appareil était courant…
Renaissance : Blaise Pascal #
Blaise Pascal. Scientifique et penseur français du XVIIe siècle
- En physique : le théorème de Pascal qui exprime les variations de pression dans un fluide
- En mathématiques : calcul infinitésimal, raisonnement par récurrence etc.
- En philosophie et littérature : les Pensées (1669)
- En ingénierie : la Pascaline. Première machine à calculer. Inventée à 19 ans pour aider son père devant remettre en ordre les recettes fiscales d’une province.
La pascaline #
Gottfried Wilhelm Leibniz #
Leibniz (1646 - 1716) est un penseur allemand fait progresser la philosophie, les mathématiques, la physique et l’ingénierie autant que Pascal.
Il améliore la Pascaline et redécouvre le système binaire.
Néanmoins on n’utilisera réellement le binaire qu’après 1945.
Premières machines programmables : métiers à tisser #
Joseph Marie Jacquard (1752-1834) améliore des principes déjà existants pour concevoir une machine à tisser utilisant les cartes perforées de Jean-Baptiste Falcon.
Les métiers Jacquard sont encore utilisés dans le médical pour réaliser des coudières, genouillères et prothèses d’artères.
Machine à calculer programmable #
Charles Babbage constatant que les erreurs de calculs dans les tables conduisent à de nombreuses catastrophes invente en 1833 le concept de machine (Difference Engine 1) permettant d’automatiser le calcul.
Il correspond ensuite avec Ada Lovelace (comtesse et fille du poète Lord Byron). Elle conçoit les premiers programmes pour cette machine. Elle est vue comme la première programmeuse du monde.
Trop complexe, trop coûteuse la machine de Babbage ne verra jamais le jour.
Ada Lovelace #
Électricité #
La révolution industrielle de la fin du XIXe siècle conduit à l’apparition de l’électricité et des moteurs qui améliorent les machines à calculer.
Par exemple, aux USA, Herman Hollerith, conçoit une machine qui divise par deux le temps nécessaire au recensement de la population. Sa société fusionnera pour devenir IBM.
XXe siècle : un essor fulgurant #
- Avant 1936 : première machine capable de parallélisme
- 1936 : Alonzo Church et Kurt Gödel fournissent un cadre théorique et Alan Turing propose un concept théorique de machine qui est encore utilisé.
- Seconde guerre mondiale. L’information est chiffrée et circule alors massivement via les ondes radio et le télégraphe. Le déchiffrement devient un enjeu mondial. Citons Enigma, utilisée par les allemands, déchiffrée par Turing grâce à la bombe.
Enigma
La bombe
ENIAC #
Les machines sont encore colossales !
-
ENIAC : 30 tonnes, 167 m$^2$, 160 kW pour 100 kHz et 100 000 additions par secondes.
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Programme sur cartes perforées, entièrement électronique. Servant au calcul balistique. Programmé par six femmes.
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Calcul d’une trajectoire d’une table de tir. Comparatif :
| Méthode | Durée |
|---|---|
| Homme à la main | 2,6 j |
| Avec une machine à calculer | 12 h |
| Model 5 (concurrent ENIAC) | 40 min |
| ENIAC | 3 s |
| PC ~2000 | 30 µs |
l’ENIAC : un monstre
Le modèle de Von Neumann en détail #
Modèle de Von Neumann #
- Processeur : composé de deux unités
- Unité de commande : contrôle la séquence d’instructions
- Unité arithmétique : exécute les instructions
- Mémoire : contient les données et les programmes. mémoire volatile (qui s’efface après redémarrage, mais rapide) et de masse (stockage)
- Entrées : clavier, cartes perforées, etc.
- Sorties : affichage, imprimante, écran
Principe général #
L’ordinateur effectue des instructions en séquence.
Chaque instruction se découpe en trois parties :
- fetch (récupérer)
- read (lire)
- execute (exécuter)
C’est tout ce que fait un procésseur… mais il le fait 4 milliards de fois par seconde.
Unité de commande #
Elle contrôle les instructions réalisées par la machine.
C’est elle qui récupère les instructions et les décode.
Elle s’occupe donc des parties “fetch” et “read”
Unité arithmétique et logique #
Elle s’occupe de réaliser les calculs à effectuer.
On a déjà rencontré un petit morceau d’unité arithmétique : l’additionneur 1 bit.
Mémoire #
Dans la mémoire on trouve à la fois les programmes et les données.
C’est la nouveauté majeure de ce modèle. Voir ainsi les programmes permet de les modifier comme le reste des données. On peut ainsi créer des programmes sur sa propre machine… ce que nous faisons en permanence en NSI d’ailleurs :)
Entrées et sorties #
L’interface du processeur. Sur un processeur moderne ce sont les broches.
L’apport de von Neumann #
John von Neumann élabore son modèle pour concevoir l’EDVAC, en juin 1945.
Dans ce modèle il est le premier à utiliser une seule mémoire pour enregistrer les programmes et leurs données.
Il reprend d’autres concepts comme la séparation entre la mémoire et le processeur.
En traitant les instructions de la même manière que les autres données, il permet de concevoir des programmes qui créeent d’autres programmes. Cette idée est à l’origine des compilateurs et des interpréteurs.