Résumé #1: Abstractions et technologie des ordinateurs

À lire: pp. 1 à 41.

Abstractions

- Approche hiérarchique et abstraction: Principes fondamentaux pour comprendre et maîtriser le développement de systèmes complexes.

• Abstraction = Description simplifiée d'un système mettant l'emphase sur les aspects essentiels (QUOI?) et ignorant certains autres (COMMENT?).
• Approche hiérarchique = Décomposition d'un système en plusieurs couches, où la couche supérieure utilise/communique avec la couche inférieure via une interface bien définie (QUOI?), la couche inférieure dissimulant ainsi de nombreux détails de mise en oeuvre (COMMENT?) à la couche supérieure.

- La présence de plus en plus grande des ordinateurs est liée à l'amélioration fulgurante des performances, amélioration qui a rendu possible de nombreuses nouvelles utilisations et applications. Étant donné la complexité de ces applications, elles n'ont pû être développées, du point de vue logiciel, que par l'utilisation de langages de haut niveau.

- Analogie avec moyens de transport: Si les automobiles avaient subi des améliorations du même ordre que les ordinateurs, une Ferrari coûterait $5.50, aurait une consommation d'un litre d'essence aux km et pourrait stationner sur une tête d'épingle.

- Première abstraction du niveau du matériel (description abstraite de l'organisation interne d'un ordinateur) = Les 5 composants d'un ordinateur: Contrôle et chemin de données (processeur), mémoire, entrées, sorties.

- Chacun de ces composants est lui-même une abstraction (approche hiérarchique): chemin de données = registres, UAL, bus, etc.; mémoire = cache, mémoire vive, mémoire virtuelle; UAL = composants électroniques, e.g., portes ET, OU, multiplexeurs; porte ET = transistors, résistances, ...; etc.

- Autre abstraction fondamentale du niveau matériel = Architecture du jeu d'instructions:

• Jeu d'instructions = Ensemble des instructions machines, de leurs modes d'adressage, etc.
• Sert d'interface entre le matériel et le logiciel: définit tout ce que les programmeurs doivent savoir pour faire fonctionner correctement un programme en langage machine.
• Permet une variété de mises en oeuvres de la même architecture avec des coûts et des performances variables (famille d'ordinateurs).

- La distinction entre architecture et mise en oeuvre fut introduite dans les années 60 par IBM, lors du développement de la famille d'ordinateurs IBM Système 360. Les divers modèles de cette famille d'ordinateurs étaient tous compatibles entre eux (même jeu d'instructions), avec des prix variant selon les performances et capacités et avec des possibilités de mise à jour ( upgrade).

Technologie

- L'évolution des circuits intégrés est le facteur ayant eu l'influence la plus importante sur le développement des ordinateurs:

• Les générations d'ordinateurs sont essentiellement fonction du type de circuits utilisés:

  

• Caractéristiques des diverses technologies:
  • Tube à vide: Fiabilité faible pcq. ampoule, donc tendance à ``brûler'' et consommant une grande quantité d'énergie.
  • Transistor: Même rôle qu'un tube à vide mais plus petit, moins cher, plus fiable (circuit solide) et dissipant moins de chaleur.
  • Circuit intégré: Incorpore des dizaines/centaines de transistors sur une même puce.
  • ITGE (VLSI) = Intégration à Très Grande Echelle (Very Large Scale Integration): Intègre des milliers/millions de transistors sur une même puce.
• Grosso modo, depuis un certain nombre d'années:
  • La densité des puces est multipliée par 4 à tous les 3 ans.
  • La vitesse des UCs est multipliée par 2 à tous les 3 ans.
  • Le prix est divisé par 10 entre l'introduction et le retrait d'une puce.

- Effet de l'évolution technologique:

• Mémoire: Augmentation de la capacité des mémoires (nombre d'octets) réalisés sur une seule puce et diminution des temps d'accès.
• Processeur:
  • Augmentation de la largeur des chemins de données: processeurs 8 bits (1972), 16 bits (1978), 32 bits (1984), 64 bits (1992).
  • Modification de l'organisation interne des machines de façon à profiter de l'espace rendu disponible par la miniaturisation des circuits: utilisation de pipelines pour augmenter le débit, incorporation de caches pour diminuer le temps d'accès à la mémoire, etc. En d'autres mots, on peut se permettre d'ajouter, pour une puce d'une taille donnée, des éléments (du matériel) visant à améliorer les performances.

- Malgré les progrès technologiques, il est quand même important de faire des bons choix de conceptions: Le coût d'une puce est proportionnel, grosso modo, au cube de sa surface. L'ajout d'instructions, de caractéristiques additionnelles ou d'optimisations du matériel nécessite un plus grand nombre de circuits, i.e., une puce avec une surface plus grande. Pour une puce d'une superficie donnée (pour un budget puce donné), l' espace doit donc être utilisé à bon escient. (De plus les compétiteurs profitent aussi des mêmes progrès technologiques!)