Architecture de von Neumann et langage machine

Composition d’un ordinateur

1) En suivant le démontage d’un ordinateur, notez les principaux composants qui le constituent et leur fonction.

Architecture de von Neumann

Introduction

John von Neumann est un mathématicien et physicien americano-hongrois. Il est considéré avec Alan Turing comme le père de l’informatique. Il est souvent considéré comme l’une des personnes les plus intelligentes du XXe siècle.

Il propose en 1945 une architecture pour les ordinateurs qui est toujours utilisée aujourd’hui.

Architecture de von Neumann

L’architecture de von Neumann établit la relation entre les différents composants d’un ordinateur. Ces composants sont :

• l’unité arithmétique et logique (UAL) : elle effectue les opérations de base (processeur aujourd’hui) ;
• l’unité de contrôle : s’occupe du séquençage des opérations (dans le processeur aujourd’hui);
• la mémoire : contient les données et le programme ;
• les entrées/sorties : permettent de communiquer avec l’extérieur.

La révolution de cette architecture à l’époque est le fait de considérer le programme comme une donnée. C’est cette idée qui va fonder l’informatique et qui concrétise le concept de machine universelle de Turing.

Cette architecture peut être représentée sur un schéma simple :

L’UAL accède à la mémoire grâce à des adresses par l’intermédiaire d’un bus. Mais elle possède aussi des registres qui lui permettent d’effectuer des opérations simples.

Aujourd’hui les ordinateurs ont toujours une architecture proche de celle de von Neumann :

Les entrées/sorties sont gérées maintenant par des processeurs autonomes et on utilise plusieurs cœurs/processeurs.

Langage machine

Introduction

Le langage machine ou langage assembleur est le langage de plus bas niveau qui existe, il est directement compréhensible par le processeur. Il dépend donc du processeur.

Il permet de faire uniquement des opérations simples mais on peut toujours recréer des instructions de haut niveau en langage machine. En effet tout programme est « converti » en langage machine avant de pouvoir être éxécuté par le processeur.

Exemple réel

Une instruction

Le code ci-dessous :

10110000 01100001

correspond en assembleur lisible par un humain à :

movb $0x61, %al

qui signifie « écrire le nombre 97 dans le registre AL ».

2) Où est le nombre 97 dans cette instruction ?

Code complet

Voici un code (de wikipédia) permettant simplement d'afficher « Bonsoir » en assembleur :

section .data                                 ; Variables initialisées
        Buffer:         db 'Bonsoir', 10      ; En ascii, 10 = '\n'. La virgule sert à concaténer les chaines
        BufferSize:     equ $-Buffer          ; Taille de la chaine

section .text                                 ; Le code source est écrit dans cette section
        global _start                         ; Définition de l'entrée du programme

_start:                                       ; Entrée du programme

        mov eax, 4                            ; Appel de sys_write
        mov ebx, 1                            ; Sortie standard STDOUT
        mov ecx, Buffer                       ; Chaine à afficher
        mov edx, BufferSize                   ; Taille de la chaine
        int 80h                               ; Interruption du kernel

        mov eax, 1                            ; Appel de sys_exit
        mov ebx, 0                            ; Code de retour
        int 80h                               ; Interruption du kernel

Vous pouvez tester ce code sur votre machine ! Copiez-le dans un fichier test.asm puis exécutez les commandes suivantes :

nasm -f elf test.asm
ld -o test test.o -melf_i386
./test

Vous devriez voir « Bonsoir » s'afficher.

Simulation simplifié

Pour bien comprendre la philosophie de l’assembleur nous allons utiliser un simulateur avec des instructions compréhensibles disponible à l’adresse : https://lipn.univ-paris13.fr/~boudes/amilweb/

AMIL permet de simuler un processeur disposant de

• 8 registres généraux R0 à R7 (contenant les opérandes et les résultats des calculs)
• un registre compteur de programme CP (contenant l’adresse de la prochaine instruction à exécuter)
• un registre instruction RI (contenant l’instruction en cours d’exécution)
• une unité arithmétique (mais pas logique) effectuant des calculs entiers et flottants

Le simulateur affiche l’ensemble processeur et mémoire centrale. Pour le processeur, seul le contenu des différents registres est affiché (pas l’UAL). La mémoire centrale est affichée à raison d’une cellule par ligne. Au démarrage, le simulateur est en mode édition de la mémoire centrale. L’utilisateur peut modifier interactivement le contenu de la mémoire centrale en y inscrivant les données et les instructions de son programme. La simulation peut ensuite être démarrée avec le bouton « Charger ». Le programme peut être simulé instruction par instruction (bouton « pas-à-pas ») ou jusqu’à sa terminaison éventuelle (bouton « Exécuter »). Le bouton « Reset » réinitialise le processeur en reprenant la simulation au début du programme. Un double clic dans la zone de la mémoire principale permet de revenir au mode d’édition de la mémoire centrale.

Les mnémoniques utilisées pour les instructions sont de simples mots en français (il n’y a pas de format binaire défini). Les instructions possèdent deux champs d’adresse, l’opérande destination étant toujours placée en dernière position. Les registres sont symbolisés par leur noms en minuscules, r0 par exemple. Les valeurs littérales pour les nombres entiers présents dans les instructions utilisent la base 10 (pas de valeur en binaire ou hexadécimal). L’ensemble des instructions est donné en annexe.

Travail 1

3) Comprendre le programme chargé par défaut dans le simulateur en l’exécutant pas à pas. Décrire en quelques phrases son fonctionnement.

Travail 2

4) Écrire dans le simulateur un programme qui convertit des degrés Celsius en Fahrenheit. La formule est la suivante :

Annexe : Instruction disponibles dans le simulateur