CHAPITRE 01 Vue d'ensemble du système informatique

1.1 Structure de base d'un ordinateur
1.2 Représentation et stockage de l'information
1.3 Configuration du système
1.3.1 Connexion entre le processeur et le périphérique de mémoire
1.3.2 Connexion du processeur et des périphériques d'E/S
1.3.3 Configuration de l'ensemble du système
1.4 L'évolution de l'architecture informatique
1.4.1 Structure des premiers ordinateurs
1.4.2 Historique du développement des principaux composants informatiques
1.4.3 Classification et tendances de développement des systèmes informatiques
Problème fondamental
Problèmes pratiques

CHAPITRE 02 Structure et fonction du processeur

2.1 Structure de base du processeur
2.2 Exécution des commandes
2.2.1 Cycle de sevrage
2.2.2 Cycle d'exécution
2.2.3 Cycle d'interruption
2.2.4 Cycle indirect
2.3 Pipeline de commandes
2.3.1 Pipeline de commandes à deux étages
2.3.2 Pipeline de commandes à 4 étapes
2.3.3 Superscalaire
2.3.4 Exécution dynamique
2.3.5 Processeurs double cœur et multicœurs
2.4 Jeu d'instructions
2.4.1 Types d'opérations
2.4.2 Format de commande
2.4.3 Méthode d'adressage
2.4.4 Formats d'instructions des processeurs commerciaux réels
Problème fondamental
Problèmes pratiques

CHAPITRE 03 Opérations arithmétiques et logiques sur ordinateur

3.1 Composants de l'UAL
3.2 Représentation des entiers
3.2.1 Représentation de la taille de l'encodage
3.2.2 Expression conservatrice
3.2.3 Extension du bit de signe
3.3 Opérations logiques
3.4 Opérations par quarts
3.5 Opérations arithmétiques sur les entiers
3.5.1 Addition
3.5.2 Soustraction
3.5.3 Multiplication
3.5.4 Division
3.6 Représentation des nombres à virgule flottante
3.7 Opérations arithmétiques en virgule flottante
3.7.1 Addition et soustraction
3.7.2 Multiplication et division
Problème fondamental
Problèmes pratiques

CHAPITRE 04 UNITÉ DE CONTRÔLE

4.1 Fonctions de l'unité de commande
4.2 Structure de l'unité de commande
4.3 Format des micro-instructions
4.4 Microprogrammation
4.4.1 Protocole de sevrage
4.4.2 Routine du cycle indirect
4.4.3 Routine du cycle d'exécution
4.5 Commande séquentielle des microprogrammes
Problème fondamental
Problèmes pratiques

CHAPITRE 05 Dispositif de mémoire

5.1 Classification et caractéristiques des dispositifs de mémoire
5.2 Système de mémoire hiérarchique
5.2.1 Nécessité et effet
5.2.2 Hiérarchie de la mémoire
5.3 Dispositifs de mémoire à semi-conducteurs
5.3.1 RAM
ROM 5.3.2
5.4 Conception du module de mémoire
5.5 Mémoire cache
5.5.1 Capacité du cache
5.5.2 Méthode de retrait
5.5.3 Style de pensée
5.5.4 Algorithme de remplacement
5.5.5 Politique de rédaction
5.5.6 Caches multiples
5,6 Go de mémoire SDRAM DDR
5.6.1 SDRAM
5.6.2 DDR SDRAM
5.6.3 Rang de mémoire
5.7 Dispositifs de mémoire non volatile de nouvelle génération
5.7.1 PRAM
5.7.2 FRAM
5.7.3 MRAM
Problème fondamental
Problèmes pratiques

CHAPITRE 06 Dispositifs de stockage auxiliaires

6.1 Disque dur
6.1.1 Structure du disque
6.1.2 Temps d'accès au disque
RAID 6.2
6.2.1 Contexte de l'émergence du RAID
6.2.2 Types de RAID
6.3 Mémoire flash et SSD
6.3.1 Mémoire Flash
SSD 6.3.2
Problème fondamental
Problèmes pratiques

CHAPITRE 07 BUS SYSTÈME, E/S ET INTERRUPTION

7.1 Bus système
7.1.1 Organisation du bus système
7.1.2 Fonctionnement de base du bus système
7.2 Arbitrage de bus
7.2.1 Méthode d'arbitrage parallèle
7.2.2 Méthode d'arbitrage en série
7.2.3 Méthode d'interrogation
7.3 Connexion des périphériques d'E/S
7.3.1 Contrôle des E/S
7.3.2 Adressage des E/S
7.4 E/S utilisant des interruptions
7.4.1 Méthode d'interruption multiple
7.4.2 Méthode en guirlande
7.4.3 Méthode d'interrogation logicielle
7.5 E/S utilisant le DMA
Problème fondamental
Problèmes pratiques

CHAPITRE 08 Architecture des systèmes informatiques hautes performances

8.1 Concept et nécessité du traitement parallèle
8.2 Unité de traitement parallèle
8.3 Classification des ordinateurs parallèles
8.3.1 Classification de Flynn
8.3.2 Classification selon le modèle d'accès à la mémoire
8.3.3 Classification par méthode de configuration du système
8.4 Architecture des systèmes multiprocesseurs
8.4.1 Architecture du système à mémoire partagée
8.4.2 Architecture des systèmes à mémoire distribuée
8.4.3 Protocole de cohérence du cache
8.5 GPU et HBM
8.5.1 Aperçu de l'intelligence artificielle utilisant des techniques d'apprentissage profond
8.5.2 Unité de traitement graphique (GPU)
8.5.3 Mémoire à large bande passante (HBM)
Problème fondamental
Problèmes pratiques

Annexe A Dispositifs de stockage optique
Annexe B Clustering informatique
Références

Les technologies émergentes qui impulsent des changements novateurs dans divers secteurs de la société moderne, telles que l'intelligence artificielle (IA), l'Internet des objets (IdO), le cloud computing et la robotique intelligente, reposent toutes sur les technologies de l'information (TI), lesquelles s'appuient sur les ordinateurs et les réseaux d'information et de communication. Parmi ces technologies, le matériel informatique, associé aux logiciels système, constitue un élément fondamental de l'infrastructure des systèmes informatiques.
Par conséquent, l'architecture informatique, une matière qui étudie les principes de fonctionnement et les méthodes de conception du matériel informatique, est incluse comme cours obligatoire dans le programme de presque tous les établissements d'enseignement liés à l'informatique.
Cependant, l'architecture informatique évolue vers une direction plus spécialisée et optimisée afin de répondre aux capacités de calcul ultra-rapide et de traitement de données à grande échelle requises par le domaine de l'IA.
En d'autres termes, l'architecture informatique de l'ère de l'IA s'éloigne de la structure actuelle centrée sur le processeur et s'oriente vers l'intégration de divers accélérateurs matériels (GPU, TPU, etc.) et de mémoire à large bande passante (HBM) afin de maximiser l'efficacité du traitement parallèle et du déplacement des données.
Par conséquent, l'architecture informatique est devenue une connaissance essentielle pour comprendre et améliorer les performances globales d'un système, transcendant ainsi les frontières entre matériel et logiciel.

Cet ouvrage explique en détail les principes de base et les technologies essentielles du matériel informatique en réponse à ces changements, et présente également de manière exhaustive les dernières technologies informatiques, notamment l'architecture de processeur multicœur largement utilisée pour améliorer les performances des ordinateurs, les technologies de mémoire principale telles que la DDR SDRAM et la HBM, et divers périphériques de stockage auxiliaires, notamment la mémoire flash 3D NAND et les SSD.
Par conséquent, si vous étudiez fidèlement le contenu de ce livre, vous serez en mesure de comprendre facilement les concepts de conception de la quasi-totalité des systèmes informatiques, des ordinateurs portables aux supercalculateurs.
De plus, en extrayant et en expliquant uniquement le contenu important qu'il faut connaître dans ce domaine, le volume a été ajusté de manière à ce qu'il ne soit pas difficile d'étudier jusqu'au dernier chapitre en un semestre.
Le niveau de cet ouvrage convient à une utilisation comme manuel pour les cours d'architecture informatique dans les départements d'informatique et de génie électronique des universités et des écoles techniques, et il servira également d'ouvrage de référence qui aidera directement les chercheurs des instituts de recherche ou des entreprises développant des systèmes informatiques.


Sommaire de ce livre

Chapitre 1 : Vue d'ensemble du système informatique : Analyse la structure de base et les principes de fonctionnement d'un ordinateur, et fournit une explication générale de la manière de configurer l'ensemble du système informatique, y compris le processeur, les périphériques de mémoire et les périphériques d'E/S.
Après avoir brièvement examiné le développement de l'architecture informatique, nous analysons les tendances de développement récentes dans diverses catégories d'ordinateurs, des petits ordinateurs portables aux superordinateurs.

Chapitre 2 Structure et fonctionnement du processeur : décrit en détail la structure interne du processeur, le processus d’exécution des instructions et la technologie de pipeline.
Nous analyserons en détail les concepts de conception des processeurs superscalaires et multicœurs, architectures de pointe permettant d'accroître la vitesse de traitement des programmes par le processeur, ainsi que les gains de performance qui en résultent. Nous examinerons également les principes des techniques d'exécution dynamique et les architectures matérielles associées.
Enfin, nous décrivons les composants et les méthodes de conception du jeu d'instructions, y compris une analyse des caractéristiques des instructions des processeurs RISC.

Chapitre 3 Opérations arithmétiques et logiques de l'ordinateur : examine la structure interne de l'UAL, une unité d'opérations arithmétiques et logiques de l'ordinateur.
Après avoir étudié les principes des opérations logiques, nous expliquerons comment exprimer les entiers et les nombres à virgule flottante, ainsi que les opérations arithmétiques.

Chapitre 4 Unité de contrôle : Analyse la structure interne et les principes de fonctionnement de l’unité de contrôle, un composant majeur du processeur, et explique comment concevoir un jeu d’instructions à l’aide de techniques de microprogrammation.

Chapitre 5 Mémoire : Comprendre le système de mémoire dans son ensemble en analysant la hiérarchie de la mémoire.
Nous examinerons ensuite la structure interne des dispositifs de mémoire à semi-conducteurs et expliquerons comment concevoir des modules de mémoire les utilisant.
Puis, après avoir étudié la structure et les principes de conception de la mémoire cache pour compléter la vitesse de la mémoire principale.
Nous analysons également le concept de DDR SDRAM et de classement de la mémoire, qui sont des technologies permettant d'améliorer la bande passante de la mémoire.
Enfin, nous examinerons brièvement les principes des dispositifs de mémoire à semi-conducteurs de nouvelle génération : PRAM, FRAM et MRAM.

Chapitre 6 : Périphériques de stockage auxiliaires : Examine la structure et les principes de fonctionnement des disques durs, et analyse les concepts de conception et la structure du RAID, un système de disques conçu pour augmenter la capacité et la fiabilité.
Nous expliquerons en détail la structure interne et les principes de fonctionnement de la mémoire flash et des SSD, qui sont largement utilisés ces derniers temps comme périphériques de stockage auxiliaires.
Nous analyserons en particulier la structure de la mémoire flash NAND 3D en détail et examinerons différentes technologies permettant d'améliorer les performances des SSD qui l'utilisent.

Chapitre 7 Bus système, E/S et interruptions : analyse la configuration et la méthode d’arbitrage du bus système, qui est un canal d’échange d’informations entre les composants de l’ordinateur, et explique la méthode de connexion des périphériques d’E/S, le mécanisme d’interruption et les principes de fonctionnement du DMA.

Chapitre 8 : Architecture des systèmes informatiques à hautes performances : Explique le concept de traitement parallèle, une technologie clé pour améliorer les performances des systèmes informatiques, et présente diverses structures de système et réseaux d'interconnexion utilisés dans les systèmes informatiques parallèles.
Nous analysons également le protocole MESI utilisé pour maintenir la cohérence du cache dans l'implémentation d'un système multiprocesseur au niveau serveur.
Nous expliquons également le GPU (Graphic Processing Unit) et le modèle de programmation CUDA, qui sont largement utilisés pour améliorer la vitesse de calcul numérique dans presque tous les systèmes informatiques, y compris les supercalculateurs récents.
Enfin, nous examinerons de plus près la technologie de mémoire à large bande passante (HBM) pour accélérer le traitement de diverses applications d'IA, y compris les grands modèles de langage (LLM).

[Annexe A] Dispositifs de stockage optique : décrit les principes, les performances et les caractéristiques des dispositifs de stockage optique tels que les CD-ROM, les DVD et les disques Blu-ray (BD), qui sont utiles comme dispositifs de stockage auxiliaires polyvalents.

[Annexe B] Clustering informatique : Cet article analyse les principes du clustering informatique, la technologie d'intégration de systèmes la plus largement utilisée pour configurer les systèmes au niveau serveur et les supercalculateurs.