Architecture d'une machine : le modèle de Von Neumann

Définition et Histoire

Qu'est-ce qu'un ordinateur ?

On définit un ordinateur comme étant une machine qui réalise des calculs de manière ordonnée (on parlait d'ordonnateur). Il existe divers modèles pour créer des machines qui résolvent des calculs (comme la machine de Turing par exemple) mais celui qui a été retenu pour réaliser les machines que l'on utilise quotidiennement est celui de John Von Neumann.

• John Von Neumann : Mathématicien de la fin du XIXe - début XXe siècle dont le but était d'augmenter les puissances de calcul des machines déjà existantes à cause notamment de la seconde guerre mondiale.
• Projet EDVAC : Il reprend le modèle de calcul du projet EDVAC qui était une machine de calcul militaire (qui pouvait réaliser des opérations mathématiques en utilisant le binaire) mais y ajoute la notion de mémoire de programme pour créer son modèle.
• Modèle séquentiel : Ce modèle réalise des calculs de manière séquentielle, ordonnée : on peut appeler ce modèle un modèle de calcul séquentiel.

Les composants du modèle de Von Neumann

Le modèle de Von Neumann est caractérisé par la présence de 4 composants notables.

graph TD
    subgraph CPU [Processeur (CPU)]
        UC[Unité de Contrôle (UC)]
        UAL[Unité Arithmétique et Logique (UAL)]
        Reg[Registres]
        UC <--> UAL
        UC <--> Reg
        UAL <--> Reg
    end

    subgraph Memory [Mémoire]
        RAM[RAM (Instructions + Données)]
    end

    subgraph IO [Entrées / Sorties]
        Input[Clavier, Souris...]
        Output[Écran, Imprimante...]
    end

    CPU <==>|Bus de Données / Adresse / Contrôle| Memory
    CPU <==>|Bus| IO

UAL et UC : Le cerveau de la machine

Les composants qui réalisent les calculs, résolvent les algorithmes et les ordonnent sont l'Unité Arithmético Logique (UAL) et l'Unité de Contrôle (UC).

• Unité Arithmético-Logique (UAL) : Unité de traitement qui sert à réaliser des calculs et opérations de base. Elle peut réaliser des opérations mathématiques, des opérations de logique, de comparaisons ou des décalages. L'UAL peut aussi contenir un ensemble d'espaces de données nommé registres.
• Transistors : Cette unité est composée de milliards de transistors qui sont des composants électroniques qui servent à réaliser notamment des opérations et comparaisons suivant la logique booléenne. Cet ensemble de transistor peut être appelé circuit de portes logiques ou circuit logique.
• Unité de Contrôle (UC) : Comme son nom l'indique, elle réalise la gestion des flux électriques provenant de la mémoire ou de l'Unité Arithmético-Logique. Elle permet de réaliser la séquence des opérations ; Elle est responsable de l'appellation de modèle séquentielle.

Cycle de l'Unité de Contrôle

Cette Unité de Contrôle suit un cycle précis pour organiser les programmes. Il est composé de 4 étapes :

1. Fetch (Récupération) : L'UC récupère les instructions dans la mémoire.
2. Decode (Décodage) : L'UC décode ces instructions en langage proche de la machine.
3. Execute (Exécution) : L'UC transmet l'instruction à l'UAL et celle-ci lui renvoie le résultat.
4. Store (Stockage) : L'UC transmet le résultat dans la mémoire.

La mémoire

Tous les calculs, opérations et programmes ont besoin de valeurs pour fonctionner ou doivent renvoyer et stocker des résultats pour les utiliser. Les machines ont aussi besoin de mémoire pour stocker de manière temporaire des variables de programmes ou de stockage à long terme pour enregistrer des fichers par exemple.

Il existe divers types de mémoire qui permettent le bon fonctionnement d'une machine.

• Cache du processeur : Le cache du processeur est une mémoire d'accès très rapide, située entre le processeur et la RAM. Elle permet de stocker temporairement les instructions utilisées par le processeur pour éviter de tout le temps les calculer. Cela permet d'optimiser l'utilisation du processeur.
• Mémoire volatile (RAM) : La mémoire volatile ou mémoire RAM (Random Access Memory) correspond à la mémoire court terme de la machine. Cette mémoire n'est pas aussi conséquente qu'une mémoire de stockage mais possède des fréquences d'accès très rapides (de l'ordre du GHz). Cette mémoire permet de stocker temporairement les données à des programmes en cours d'exécution. Le fait de stocker ces données dans la RAM permet au processeur d'accéder à des données très rapidement.
• Mémoire morte (ROM) : La mémoire ROM (ou Read-Only Memory) est une mémoire qui est non-volatile. Elle est conservée même lorsque la machine est éteinte. Elle contient les instructions nécessaires au démarrage de l'ordinateur (BIOS ou firmware).
• Mémoire à long terme : La mémoire à long terme permet de stocker des données et des fichiers. Elle est celle qui correspond aux disques durs, clefs USB ou SSD. Elle permet de stocker le système d'exploitation, les applications ou les données (fichiers, programmes etc...).

Les bus et périphériques

Les bus sont des ensembles de fils électriques qui permettent de faire circuler l'information entre les différents composants de l'ordinateur.

• Bus de données : Transporte les données entre les composants.
• Bus d'adresses : Indique où les données doivent être lues ou écrites.
• Bus de contrôle : Transporte les signaux de contrôle (lecture, écriture, etc.).

Les périphériques sont des composants externes qui permettent d'interagir avec l'ordinateur :

• Périphériques d'entrée : Clavier, souris, microphone, caméra.
• Périphériques de sortie : Écran, imprimante, haut-parleurs.
• Périphériques d'entrée/sortie : Écran tactile, disque dur externe.

La limite du modèle de Von Neumann

Ce modèle est un modèle efficace et qui a fait ses preuves depuis les années 70. Cependant il souffre d'un gros problème : la communication entre les divers composants.

Les composants ont tous des fréquences de fonctionnement ou des débits différents. Le modèle de Von Neumann est confronté à un problème de goulots d'étranglements (ou connu sous le nom de bottleneck en anglais).

• Analogie de la plomberie : Imaginons en entrée un tube de 100mm de diamètre qui est alimenté de manière complète. Si celui-ci est suivi d'un tube de 40mm, cette portion va ralentir le debit global. Cela fonctionne pareil avec un ordinateur : si la mémoire fonctionne à une fréquence de 1 GHZ, le processeur à 1 GHz mais que les bus ne transmettent qu'à une fréquence de 20 MHz, l'ensemble de la machine sera ralenti.
• Exemple concret (Gaming PC) : Il peut arriver qu'il y ait un bottleneck entre le processeur et la carte graphique. Si l'un des deux composants est trop faible comparé à l'autre, il peut ralentir de manière globale les performances en jeu.