STRUCTURE DES ORDINATEURS Année académique 2009-2010
21 sept. 2009
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PLAN 1. 2.
3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
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Introduction : notions L’unité centrale de traitement, blocs fonctionnels, adressage et interruptions Protection contre les erreurs Le PC et ses composants Carte-mère Processeur Mémoire RAM Entrées - Sorties Stockage
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1. INTRODUCTIO N
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L’informatique : définition
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« …science du traitement rationnel, notamment à l’aide de machines automatiques, de l’information considérée comme le support des connaissances et des communications… »
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Système informatique
Commandes
Mémoire vive Instructions & données
Entrées
Sorties Unité de calculs
Mémoire morte
Mémoire auxiliaire Fichiers 21 sept. 2009
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…
Système informatique
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« …ensemble des moyens logiciels [software] et matériels [hardware] nécessaires pour satisfaire les besoins informatiques des utilisateurs… »
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Valeurs et acteurs de référence
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« …la grande majorité des valeurs utilisées en informatique sont des puissances de 2 pour tout ce qui touche aux mesures de capacité et des puissances de 10 pour ce qui se rapporte aux mesure de temps... »
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…
Valeurs et acteurs de référence
Unités de mesure de capacité 1K (Kilo) = 103 1M (Méga) = 106 1G (Giga) = 109 1T (Tera) = 1012 1.099.511.627.776
≈ ≈ ≈ ≈
210 220 230 240
= = = =
1.024 1.048.576 1.073.741.824
Unités de mesure de temps 1 ms (milliseconde) = 10-3 = 0,001 s 1 µs (microseconde) = 10-6 = 0,000 001 s 1 ns (nanoseconde) = 10-9 =0,000 000 001 s
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1. L’unité centrale de traitement
Et blocs fonctionnels associés
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Les blocs fonctionnels Unité centrale de traitement
Unité de commande
UAL
Unité d’échange
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Mémoire centrale Instructions
Données
Périphériques
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L’unité centrale de traitement
En anglais, Central Processing Unit. Rôle : interprétation et exécution des instructions des programmes. Se compose de deux unités fonctionnelles : L’unité arithmétique et logique (UAL) L’unité de commande
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C’est l’ensemble unité centrale de traitement + mémoire qui est appelé unité centrale.
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L’unité arithmétique et logique
Unité chargée de réaliser…
Les opérations arithmétiques
Les traitements logiques
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Addition, soustraction, incrémentation Remise à zéro, complémentation logique, décalage, opérations logiques (AND, OR, NOT, XOR)
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L’unité de commande
Rôle : gérer le bon déroulement des programmes. Reçoit et exécute les instructions. Elle dispose de registres particuliers :
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Le compteur ordinal (CO), le registre d’instruction (RI), le décodeur, le séquenceur, l’horloge.
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Les registres de l’unité de commande
Compteur ordinal (CO)
Le registre d’instruction (RI)
Il détermine quelle opération doit être effectuée.
Le séquenceur
Il reçoit l’instruction à traiter.
Le décodeur de code opération
Contient l’adresse en mémoire de la prochaine instruction à traiter.
Il génère les signaux de commande.
L’horloge
Elle synchronise toutes les actions de l’unité centrale.
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Autres registres
L’accumulateur (ACC)
Registre d’état (PSW)
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Registre de l’Unité Arithmétique et Logique. Dans la plupart des opérations arithmétiques et logiques, ce registre contient un des opérandes avant l’exécution et le résultat après. Il contient différents bits appelés flags indiquant l’état d’une condition particulière du CPU (dépassement de capacité de l’ACC, résultat égal à zéro, indicateur d’interruption, etc). 15
Le séquenceur
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Automate générant les signaux de commande nécessaires pour actionner et contrôler les unités participant à l’exécution d’une instruction donnée.
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La mémoire centrale
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Ensemble de « cases » ou cellules dans lesquelles on peut ranger des informations (instructions et données) qui auront toutes la même taille, le mot mémoire. La taille d’un mot mémoire dépend du type de machine. Chaque cellule est identifiée par une adresse (généralement, un nombre hexadécimal).
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L’unité d’échange
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Rôle : gère les transferts des informations entre l’unité centrale de traitement et l’environnement du système informatique (périphériques).
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Les périphériques
Ils peuvent être classés selon leur capacité à émettre et / ou à recevoir des informations. Réception uniquement :
Émission uniquement :
Clavier, souris
Réception et émission :
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Écran
Mémoires auxiliaires, mémoires de masse
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Les instructions
Un programme est un ensemble d’instructions. Pour être traitées, instructions et données sont stockées en mémoire centrale. Une instruction est une opération élémentaire d’un langage de programmation. Let C = A + B (BASIC) Compute C = A + B (COBOL)
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Constitution d’une instruction
Les instructions présentent deux types d’informations : Ce qu’il faut faire comme action (addition, saisie d’information, affichage, etc). Avec quelles données réaliser cette action.
COMPUTE C = A + B
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L’instruction « dans la machine » Les instructions sont représentées sous
forme d’éléments binaires, 0 ou 1. **La transformation d’une instruction d’un langage évolué en une série binaire se réalise grâce à un programme spécial appelé compilateur ou interpréteur selon le mode de traduction mis en œuvre. La transformation d’une instruction d’un langage non évolué en une série binaire se réalise par le biais d’un programme spécial appelé assembleur.
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Les données « dans la machine » Les données sont représentées sous la forme de nombres binaires par le biais de tables de codage (ASCII, UNICODE, EBCDIC, DCB, virgule flottante, entier binaire, etc).
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Composition d’une instruction élémentaire Zone opération Ce qu’il faut faire
Zone opération
Zone Données Avec quoi le faire
Zone Adresse
La Zone Données est remplacée par une Zone Adresse car les données sont rangées dans les cellules de la mémoire centrale où elles sont repérables par le biais de leur adresse.
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La Zone Opération
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Cette zone permet à la machine de savoir quelle opération elle doit réaliser. L’ensemble des instructions est appelé jeu d’instructions. Une Zone Opération de 8 bits autorisera théoriquement 256 instructions différentes. 25
La Zone Adresse
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La plupart du temps, cette zone ne contient pas la donnée à traiter mais son adresse en mémoire centrale. Certaines instructions, sur certains systèmes, fonctionnent avec deux Zones Adresse.
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Schéma simplifié de l’unité de commande Microcommandes
Registre d’état
Séquenceur
Code Opération
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+1
Compteur ordinal
Zone Adresse
Instruction
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Tâches de l’unité centrale de traitement
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Acquérir et décoder les instructions d’un programme, les unes après les autres. Faire exécuter par l’UAL les opérations arithmétiques et logiques commandées par l’instruction. Gérer les adresses des instructions du programme grâce au compteur ordinal CO). Mémoriser l’état interne de la machine (Indicateurs tels le registre d’état (PSW)) Fournir les signaux de commande et de contrôle aux divers éléments du système. 28
Les bus
**Liaisons électriques permettant aux composants de l’unité centrale de traitement et aux composants externes de communiquer et de transférer des informations binaires. Bus principaux : Bus Bus Bus
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de données. d’adresses. de commandes. 29
Le bus de données Le bus de données, data bus, transfère les informations (instructions ou données) entre les composants du système. Selon le nombre de « fils » composant le bus, on pourra véhiculer 8, 16, 32 ou 64 bits simultanément (en parallèle). Ce nombre de « fils » est appelé largeur de bus. Le bus de données est bidirectionnel.
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Le bus d’adresses Le bus d’adresses, address bus, véhicule des adresses : adresse de l’instruction à charger dans le registre d’instruction ou adresse de la donnée à traiter. La largeur du bus d’adresses détermine la taille de la mémoire qui sera adressable par le microprocesseur. Les adresses ne circulent que dans le sens unité centrale de traitement mémoire centrale. C’est un bus unidirectionnel.
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Le bus de commandes
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Le bus de commandes, control bus, permet la circulation des microcommandes, générées par le séquenceur, entre les divers composants du système.
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Fonctionnement de l’unité centrale
Pour chaque instruction d’un programme, on peut distinguer : Une phase de recherche de l’instruction Une phase de traitement de l’instruction
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Schéma de fonctionnement simplifié Unité centrale de traitement Compteur ordinal
ICO
Mémoire centrale Registre adr. mémoire
Accumulateur LCO
CCO Bus d’adresses Bus de commandes PSR
Registre d’état
CRA
Séquenceur Horloge
CAD
Décodeur
LEC
ECR
U.A.L. Registre mot Code opér. CEB
CEA
Zone adr.
Registre Instruction
EDA Bus de données 21 sept. 2009
LMM
EMM
CRI
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LCO
Liste des microcommandes Lecture Compteur Ordinal
(Compteur Ordinal) Bus Adresses
CCO
Chargement Compteur Ordinal
(Bus d’Adresses) Compteur Ordinal
PSR
Pointage Sur Registre
(Bus d’Adresses) Registre Adresse Mémoire
LEC
Lecture
(Mémoire) Registre Mot
ECR
Écriture en mémoire
(Registre Mot) Mémoire
LMM
Lecture Mot Mémoire
(Registre Mot) Bus de données
EMM
Écriture Mot Mémoire
(Bus de données) Registre Mot
CAD
Chargement Adresse
(Registre d’Instruction Adresse) Bus d’adresses
CRA
Chargement Registre Accumulateur
(UAL sortie) Accumulateur
CRI
Chargement Registre Instruction
(Bus de données) Registre d’Instruction
CEB
Chargement Entrée B
(Accumulateur) Entrée B de l’UAL
CEA
Chargement Entrée A
(Bus de données) Entrée A de l’UAL
EDA
Envoi de Donnée Accumulateur
(Accumulateur) Bus de données
ICO
Incrémentation Compteur Ordinal
(Compteur Ordinal) + 1
NOP
No Operation
La donnée passe de l’entrée A à la sortie sans opération
ADD, SUB, ET, OU…
Opération arithmétique / logique
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Recherche de l’instruction Le programme à exécuter est chargé en mémoire centrale où il occupe un certain nombre de cellules mémoire. Le compteur ordinal est chargé avec l’adresse de la première instruction à exécuter. Le séquenceur, dans la phase de recherche (fetch), va générer les microcommandes destinées à placer l’instruction dans le registre d’instruction.
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Microcommandes du fetch LCO (Compteur Ordinal) Bus d’adresses PSR (Bus d’Adresses) Registre Adresse Mémoire LEC (Mémoire) Registre Mot LMM (Registre Mot) Bus de Données CRI (Bus de Données) Registre Instruction ICO (Compteur Ordinal ) + 1
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Traitement de l’instruction
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L’instruction, une fois chargée dans le registre d’instruction, va être soumise au décodeur qui, associé au séquenceur va devoir analyser la zone opération et générer la série de microcommandes appropriées.
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Exemple de programme écrit dans un langage d’assemblage Soit à réaliser l’addition de deux nombres tels
que 8h et 4h, nombres stockés en mémoire aux adresses F800h et F810h. Le résultat de l’addition devra être rangé dans la cellule mémoire F820h. Trois opérations nécessaires :
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Charger la première données (8h) située en mémoire à l’adresse F800h dans le registre accumulateur (A). Faire l’addition du contenu de A (8h) avec la deuxième donnée (4h) située en mémoire à l’adresse F810h, le résultat étant remis dans A. Ranger ce résultat (Ch) en mémoire à l’adresse F820h.
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Exemple de programme écrit dans un langage d’assemblage
Le programme en langage d’assemblage LD A,(F800h) ADD A,(F810h) LD (F820h),A
Les instructions (codées) en mémoire : 3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20
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Exemple de programme écrit dans un langage d’assemblage Les instructions sont arbitrairement stockées en FB00h, FB01h et FB02h.
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08
F800h
04
F810h
3A F8 00 C6 F8 10 32 F8 20
FB00h FB01h FB02h
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Exemple de programme écrit dans un langage d’assemblage Première instruction
Recherche
Exécution
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LCO : FB00h (compteur ordinal) bus d’adresses PSR : FB00h (bus adresses) registre adresse LEC : 3AF800 (FB00h) registre mot LMM : 3AF800 (registre mot) bus de données CRI : 3AF800 (bus de données) registre instruction ICO : FB00h (compteur ordinal) FB01h CAD : F800 (registre instruction) bus adresses PSR : F800 (bus adresses) registre adresses LEC : 8h (F800h) registre mot LMM : 8h (registre mot) bus de données CEA : 8h (bus de données) UAL, entrée B NOP : 8h (UAL, entrée B) UAL, sortie CRA : 8h (UAL, sortie) accumulateur
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Exemple de programme écrit dans un langage d’assemblage Deuxième instruction
Recherche
Exécution
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LCO : FB01h (compteur ordinal) bus adresses PSR : FB01h (bus adresses) registre adresses LEC : C6F810 (FB01h) registre mot LMM : C6F810 (registre mot) bus de données CRI : C6F810 (bus de données) registre instruction ICO : FB01h (compteur ordinal) FB02h CAD : F810 (registre instruction) bus adresses PSR : F810 (bus adresses) registre adresses LEC : 4h (F810h) registre mot LMM : 4h (registre mot) bus de données CEA : 8h (accumulateur) UAL, entrée A CEB : 4h (bus de données) UAL, entrée B ADD : 8h + 4h UAL, sortie CRA : Ch (UAL, sortie) accumulateur
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Exemple de programme écrit dans un langage d’assemblage Troisième instruction
Recherche
Exécution
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LCO : FB02h (compteur ordinal) bus adresses PSR : FB02h (bus adresses) registre adresses LEC : 32F820 (FB02h) registre mot LMM : 32F820 (registre mot) bus de données CRI : 32F820 (bus de données) registre instruction ICO : FB02h (compteur ordinal) FB03h CAD : F820 (registre instruction) bus adresses PSR : F820 (bus adresses) registre adresses EDA : Ch (accumulateur) bus de données EMM : Ch (bus de données) registre mot ECR : Ch (registre mot) mémoire (adresse F820h)
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Structure : adressage et interruptions
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Rappel
Instructions et données
Mémoire centrale
Stockées en mémoire lors de l’exécution des programmes Constituée de cellules permettant de ranger un mot mémoire
Le bus d’adresses
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Véhicule les adresses des instructions et / ou des données à traiter (à trouver en mémoire centrale) 46
Dans la pratique… Une instruction n’est généralement pas contenue sur un seul mot mémoire Les adresses qui circulent sur le bus d’adresses ne sont pas toujours les adresses réelles (ou physiques) des informations dans la mémoire Diverses techniques pour retrouver l’adresse physique de l’information en mémoire : les modes d’adressage
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Les modes d’adressage
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Adressage Adressage Adressage Adressage Adressage Adressage Adressage
immédiat absolu implicite relatif indexé indirect symbolique 48
Adressage immédiat
La partie adresse de l’instruction contient l’opérande
ADD A, 1Bh L’opérande est 1Bh L’instruction additionne la valeur 1Bh au contenu de l’accumulateur Code machine généré sur un processeur Z80 C6 1B
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Adressage absolu
Le code opération est suivi de l’adresse réelle physique de l’opérande
LD (F805h), A L’adresse réelle est F805h L’instruction range le contenu de l’accumulateur dans la cellule mémoire dont l’adresse physique réelle est F805h Code machine généré sur un processeur Z80 32 05 F8
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Adressage implicite
L’instruction concernée ne contient pas explicitement l’adresse de l’opérande. A la place, la zone opérande désigne un registre.
LD A,C L’opérande concerné est le registre C L’instruction charge dans l’accumulateur le contenu du registre C Code machine généré par un processeur Z80 79
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Adressage relatif
L’adresse de l’information est située par rapport à une adresse de référence (souvent le CO) en indiquant un déplacement (offset)
JR NC,025h Le déplacement vaut 025h L’instruction va provoquer le déplacement du CO de 37 emplacements « en avant » si la condition No Carry (pas de retenue) est réalisée Code machine généré par un processeur 52 Z80 30 25
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Adressage indexé
La zone d’adresse contient un déplacement par rapport à un registre d’index
ADD A, (IX+4h) Le déplacement vaut 4h L’instruction ajoute à l’accumulateur la donnée située à l’adresse mémoire dont la valeur vaut le contenu du registre d’index + 4h Code généré par un processeur Z80 DD 86 04
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Adressage indirect
L’adressage indirect permet d’accéder à un mot mémoire dans lequel on trouvera l’adresse effective de l’information
ADD A,(HL) L’adresse de l’information se trouve dans le registre HL L’instruction ajoute à l’accumulateur le contenu de la cellule mémoire dont l’adresse est stockée dans le registre HL Code généré par un processeur Z80 86
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Adressage symbolique
Ce mode d’adressage permet au programmeur d’affecter à chaque zone un nom symbolique (étiquette ou labels)de son choix
JP NC, ETIQ1 ETIQ1 est un nom symbolique se situant à un endroit précis du programme L’instruction provoquera un branchement conditionnel (No Carry) à la cellule mémoire référencée par l’étiquette ETIQ1
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Adressage du 8086
8086 : processeur Intel Registres du 8086
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Registres Registres Registres
généraux d’index spécialisés
20 broches d’adresses, soit 1 Mo d’espace mémoire Bus de données de 16 bits Mémoire centrale considérée comme une succession de paragraphes de 16 octets et pas comme une succession linéaire d’octets 1 seul registre de 16 bits nécessaire pour gérer l’adressage des informations… en coordination avec les registres d’adressage 56
Les interruptions Objectif : arrêter l’exécution d’un programme et demander au processeur de traiter une tâche particulière considérée comme plus urgente ; ensuite, le programme doit être repris en l’état où il avait été laissé Tâches particulières : coupures d’alimentation, alarmes, périphériques prêts à émettre / recevoir des données
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Types d’interruptions
Externes et matérielles
Externes et logicielles
L’interruption peut être ignorée par l’unité centrale
Non masquable
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Provoquée par le processeur (lors de certains événements exceptionnels [division par zéro par exemple])
Masquable
Provoquée par un programme
Interne (exception)
Provoquée par un périphérique
L’interruption doit absolument être traitée
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Structure des ordinateurs Protection contre les erreurs
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Introduction
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Dans un ordinateur les informations circulent. Il s’agit de s’assurer qu’un bit émis avec la valeur 1… soit réceptionné avec cette même valeur.
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Le contrôle de parité
Aux n bits envoyés, on ajoute un bit de contrôle supplémentaire. De telle manière que le nombre total de bits à 1 soit : Pair (code à parité) Impair (code à imparité)
0
0
1
1
1
0
0
1
Parité (parité paire)
0
1
1
1
0
0
1
Imparité (parité impaire)
Bit de parité
1 Bit de parité 21 sept. 2009
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Limité du contrôle de parité
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Ne fonctionne pas pour un nombre pair d’erreurs de transmission.
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Codes auto vérificateurs et auto correcteurs
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Détecter qu’il y a une erreur de transmission (mais où ?) n’est pas toujours suffisant. Il est intéressant de savoir s’il y a eu une ou plusieurs (combien ?) erreurs de transmission… …voire être en mesure de les corriger automatiquement… 63
Les parités croisées
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Soient les caractères P A G à transmettre en ASCII. VRC vertical redundancy check LRC longitudinal redundancy check
VRC
P
A
G
LRC
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0 64
Les parités croisées : détection d’une erreur de transmission Parité non vérifiée
VRC
Bits erroné à l’intersection Des parités non vérifiées
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P
A
G
LRC
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
Parité non vérifiée
65
Les codes cycliques Aussi appelés CRC (Cyclic Redundancy Check) ou codes polynomiaux. Ils sont très utilisés faciles à mettre en œuvre. Basés sur l’utilisation d’un polynôme générateur G(x) qui considère que toute information de n bits peut être transcrite sous une forme polynomiale.
21 sept. 2009
Par exemple, 10111 peut être transcrit X4+X2+X1+X0.
66
Les codes cycliques À partir d’une information de départ I(x) de i bits, on va construire une information redondante R(x) de r bits et l’émettre à la suite de I(x), de telle sorte que le polynôme résultant N(x) soit divisible par le polynôme générateur G(x). A la réception, on divise le polynôme G(x) et le reste de cette division doit alors être nul s’il n’y a pas d’erreurs de transmission.
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67
Les codes cycliques
Soit le message 10011011 (i=8) que l’on peut traduire par le polynôme I(x) :
Le polynôme générateur G(x) choisi arbitrairement est X3+1 On multiplie I(x) par G(x)-1, ce qui donne 100110110000 On divise 100110110000 par G(x), soit par 1001
Ce qui donne 10001001 avec un reste valant 0111
On ajoute le reste obtenu (0111) à I(x)
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1*X7+0*X6+0*X5+1*X4+1*X3+0*X2+1*X1+1*X0 Ou plus simplement I(x)=X7+X4+X3+X1+X0
Ce qui donne 10100010 I’(x) 68
Les codes cycliques
L’information transmise sera alors 10100010 I’(x) à laquelle on adjoint le reste 0111 A la réception, on divise I’(x) par le polynôme générateur G(x) et le reste doit être nul
21 sept. 2009
Il ne reste plus qu’à retrancher le reste de I’(x) pour retrouver l’information émise. 69
1. Le PC & ses composants
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Identification des composants Fonctionnement des composants Communication entre les composants
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Exemple de Configuration
Intel Pentium 4 Soc478 – 2,4 Ghz – 512K – FSB533 Intel DDR – MSI845 Max 333 Mhz + Sound 128 DDR 512 Mb certifié 333 Mhz – PC2700 Hard Disk 80 Go – 7200RPM – 8 Mo cache – ATA133 ATI Radeon 9100 DDR – 64 Mo + TV/DVI Boitier Mid Tower + Alim 300W Graveur CD Plextor 48/24/48 Floppy Disk 1,44 Mo Clavier Azerty Multimedia Souris 2 boutons Scroll
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Autre exemple Desktop Intel P4 630, (P4 3.0GHz/FSB800/2M), 1024MB DDR400 200GB sATA 7200RPM DVD-RW Multi double layer FW1394 nVidia 6200Turbo Cache PCIE TV-out, USB keyboard & optical wheel mouse, no modem, no speakerset Intel® Core™ Duo processor T2300, 1024MB (2*512MB), 250GB sATA 7200RPM, DVD-RW(tray less), Intel 945D HDMI onboard, DVI, Component, 1Gbit LAN + 802.11b/g WiFi, Dual TV-tuner Hybrid HW MPEG analog, 7.1Dolby Digital, SP/Diff Optical, 7-1 Card-reader, … Laptop AMD Turion™ 64 X2 TL60 2.0Ghz, 2048MB DDRII RAM (2x1024), 12.1TFT WXGA CrystalBrite, 160GB HDD S-ATA (5400rpm), External (1394) DVD SuperMulti, 3+6-cell LiIon, 56K modem, wired & wireless 802.11pre. n, BT + VoIP BT phone, ATI Radeon 1150 512MB Hypermemory, 1.3MP Orbicam, ezDock connector, AZB …
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Historique
Naissance des « Micro Ordinateurs » fin des années 70.
Mainframe : « Macro Ordinateurs » aux ressources partagées par plusieurs personnes (utilisation de terminaux passifs)
PC : « Personnal Computer », utilisé par une personne
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PC « Compatible IBM »
IBM crée début des années 80
Ordinateur basé sur un processeur Intel 8088 à 4,77 Mhz
Succès grâce à : Une architecture ouverte de vastes possibilités d’extension
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Apparition de « Clones » fin 80
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Entrée Clavier, souris, Scanner, Lecteur code barre BUS Unités d’entrée et de sortie Carte réseau, Modem, Carte son
PROCESSEUR Contrôleurs
Sortie Ecran Imprimante 21 sept. 2009
Mémoire de travail SDRAM DDR RAM Rambus
Mémoire fixe Disque dur CDDVDROM Tape 75