Simulation ordinateur

Objectif: Comprendre le rôle des composants principaux d’un ordinateur

Rôles:

• Processeur (5 rôles):

  1. lire la prochaine instruction du programme,
  2. en déduire la couleur à utiliser en s’aidant de la roue,
  3. voir si la couleur est présente dans une mémoire registre sinon donner l’instruction au bus pour qu’il rapporte la nouvelle couleur,
  4. prendre la bonne couleur à l’emplacement,
  5. colorier la case de la bonne couleur.

• Bus (1 rôle): transporter les couleurs entre le processeur et la mémoire vive

• Mémoire vive (0 rôle): stocke les couleurs

Principe:

• Un programme est une suite d’instructions qui permet de reconstituer une image
  • Le premier nombre sur une ligne est la couleur du premier pixel de cette ligne.
  • Pour chacun des autres pixels de la ligne on donne le décalage entre l’ancienne couleur et la nouvelle.
• Dès que le processeur a besoin d’une couleur qu’il n’a pas dans sa mémoire registre, il doit la demander à son bus. S’il a déjà trois couleurs devant lui, il doit en rendre une.
• La machine simulée possède:
  • 2 processeurs,
  • 1 bus,
  • 1 mémoire vive.

Von Neumann

• Le diaporama du cours
• Le résumé du diaporama

Résumé du cours

• Un ordinateur est composé de plusieurs éléments essentiels: le processeur (CPU), la mémoire, les entrées et les sorties.

• Le CPU comprend l’unité de contrôle qui décode les instructions et l’unité arithmétique et logique qui effectue les calculs.

• La mémoire stocke les données et les instructions (programmes) utilisées par le processeur. Il existe différents types de mémoire avec des temps d’accès variés (registres, mémoire cache, RAM, disque dur, etc.).

• Les entrées permettent d’alimenter la machine en données et instructions, tandis que les sorties permettent de récupérer les résultats.

• Le modèle de von Neumann propose de considérer un programme comme une donnée stockée en mémoire, ce qui permet d’automatiser l’exécution des tâches.

• Les différents composants communiquent via des bus informatiques qui transmettent les données, les adresses et les signaux de contrôle.

• Bien que le modèle de base soit toujours utilisé, il a évolué avec l’ajout de processeurs spécialisés, de mémoires persistantes (ROM), etc.

Émission Eurêka - von Neumann

Activité complémentaire

Écoute

Cliquer sur le lien sous l’image pour écouter l’extrait de l’émission Eurêka (France Culture) du 18 août 2022. Lien vers le podcast

Pierre Mounier-Kuhn est historien, chercheur au CNRS spécialisé dans l’histoire de l’informatique. Il détaille un point-clef de l’histoire de l’invention de l’ordinateur.

Questionnement

1. Qui a crée l’ENIAC?
2. Que signifie ENIAC?
3. Quelle est la problématique de l’ENIAC, identifiée par les concepteurs?
4. Qu’est-ce que le projet Manhattan et quelle est l’implication de John von Neumann?
5. Quelle approche propose von Neumann pour pallier les difficultés des calculateurs?
6. Quel est le projet successeur de l’ENIAC?

QCM - Machine

Pour s’entraîner

1. CPU signifie

• Caracteristic Parameters Uniform
• Central Process Unit
• Control Processing Unit
• Counter Period Unity

2. Classer ces types de mémoire de la plus rapide (rang 1) à la plus lente (rang 4)

• registre
• RAM
• disque dur
• mémoire cache

3. Compléter le texte:

Le rôle du processeur est d’effectuer un grand nombre de …. On mesure la puissance d’un processeur par sa …. Elle se mesure en …: c’est le nombre d’opérations en une ….

4. Quelles sont les évolutions qu’apportent le modèle de von Neumann?

• Apparition des écrans
• La mémoire est plus grande
• Les machines sont beaucoup plus rapides pour calculer
• Séparation de l’unité de commande et l’unité arithmétique
• Un programme est stocké dans la mémoire comme une données

5. Compléter le texte en choisissant la réponse parmi celles proposées:

Charles Babbage a construit une machine analytique au XIX° | XVIII° | XX° siècle, en s’appuyant sur les principes des métiers à tisser. C’est un ancêtre électrique | mécanique | quantique de l’ordinateur actuel. Ada Lovelace | Grace Hopper | Marie Curie produit un bug | algorithme détaillé qui pourrait fonctionner sur la machine. Elle est considérée comme la première bug | programmeuse | mathématicienne.

Langage assembleur

• Le diaporama du cours
• Le résumé du diaporama

Résumé du cours

Langage machine

Le processeur n’interprète que des signaux électriques représentés par:

• 0 pas de courant électrique.
• 1 passage de courant électrique.

On parle de langage binaire. Il est difficile pour l’Homme d’écrire un programme directement en binaire. On utilise alors des symboles mnémoniques qui représentent une instruction compréhensible par le CPU.

Langage assembleur

Le processeur peut:

• additionner des nombres,
• comparer des nombres,
• charger une valeur depuis la mémoire,
• stocker une valeur en mémoire.

Le code suivant ajoute $3+57$ et garde le résultat dans le registre R0.

ADD R0,#3,#57
HALT

Le processeur ne peut manipuler que des nombres situés dans les registres (mémoires très rapides, avec des fréquences de fonctionnement similaires au processeur). Pour manipuler des données dans la mémoire vive, il faut d’abord les placer dans les registres.

Pour charger la valeur située à l’emplacement 36 de la mémoire:

LDR R0,36

Constructions élémentaires

• Le diaporama du TP
• Le résumé du diaporama

Résumé du cours

Entrée / Sortie

Charger une entrée clavier (un nombre) dans R0

LDR R0, .InputNum

Afficher dans la console de sortie

STR R2, .WriteUnsignedNum

Variable

Référencer un mot mémoire avec une étiquette

LDR R0, monage
HALT
monage: 25

Effectuer un saut conditionnel

MOV R0, #10
MOV R1, #10
// Compare les valeurs de R0 et R1
CMP R0, R1
// Si les valeurs sont égales, saute à la ligne compegal
BEQ compegal 
MOV R2, R0
HALT 
labelegal: 
STR R0, mavaleur
HALT
mavaleur: 5

Répéter une instruction

    MOV R11,#0        //initialise compteur
boucle:
    ADD R11,R11,#1    //incrémente compteur
    CMP R11,#3       //vérifie fin de la boucle
    BNE boucle
    HALT            //sortie de la boucle

Exercices assembleur

Exercice 1

Écrire un programme qui:

• stocke deux entiers dans la mémoire vive avec les labels val1 et val2,
• échange ses deux valeurs.

      LDR R1, val1
      LDR R2, val2
      STR R1, val2
      STR R2, val1
      HALT
val1: 10
val2: 12

Exercice 2

Écrire un programme qui:

• stocke dans la mémoire vive les coordonnées $x=5$ et $y=4$ d’un personnage.
• modifie chaque coordonnée de 3 unités.

LDR R0, x
ADD R0, R0, #3
STR R0, x
LDR R1, y
ADD R1, R1, #3
STR R1, y
HALT
x: 5
y: 4

Exercice 3

1. Décrire le rôle de ce programme. Il faudra décrire le déroulé des instructions, mais également donner le rôle général du programme.
2. Tester le programme dans le simulateur. Proposer deux tests possibles afin de vérifier tous les cas de figure.

      MOV R2,#question 
      STR R2, .WriteString
      LDR R1,.InputNum
      CMP R1,#18
      BLT moins
      MOV R2,#texteplus
      STR R2, .WriteString
      HALT
moins:
      MOV R2,#textemoins
      STR R2, .WriteString
      HALT
question:.ASCIZ "Quel est votre âge?"
textemoins: .ASCIZ "Vous êtes mineur."
texteplus: .ASCIZ "Vous êtes majeur."

Exercice 4

1. Stocker deux entiers dans la mémoire, avec les étiquettes val1, val2.
2. Écrire un programme qui compare les valeurs dans val1 et val2 et stocke la plus grande valeur dans la variable resultat.

    LDR R1,val1
    LDR R2,val2
    CMP R1,R2
    BGT v1plusgrand //R1 est le plus grand
    // R2 est le plus grand
    STR R2,resultat
    HALT
v1plusgrand:
    STR R1,resultat
    HALT
val1: 13
val2: 5
resultat: 0

Exercice 5

On souhaite écrire un programme qui implémente l’algorithme suivant:

• Demander la largeur du rectangle.
• Demander la longueur du rectangle.
• Calculer le périmètre du rectangle.
• Afficher le périmètre du rectangle.

Remettre les instructions suivantes dans l’ordre afin d’implémenter l’algorithme précédent.

largeur:.ASCIZ "Quelle est la largeur?"
      STR R1, .WriteString
      ADD R4,R2,R2
      HALT
longueur: .ASCIZ "Quelle est la longueur?"
      MOV R1,#perimetre 
      STR R4, .WriteUnsignedNum
      MOV R1,#largeur 
      MOV R1,#longueur 
      STR R1, .WriteString
      LDR R3,.InputNum
      ADD R4,R4,R3
      ADD R4,R4,R3
      STR R1, .WriteString
      LDR R2,.InputNum
perimetre: .ASCIZ "Le périmètre est: "

      MOV R1,#largeur 
      STR R1, .WriteString
      LDR R2,.InputNum
      MOV R1,#longueur 
      STR R1, .WriteString
      LDR R3,.InputNum
      ADD R4,R2,R2
      ADD R4,R4,R3
      ADD R4,R4,R3
      MOV R1,#perimetre 
      STR R1, .WriteString
      STR R4, .WriteUnsignedNum
      HALT
largeur:.ASCIZ "Quelle est la largeur?"
longueur: .ASCIZ "Quelle est la longueur?"
perimetre: .ASCIZ "Le périmètre est: "

Exercice 6

1. Écrire et exécuter le code suivant:

MOV R0,#16
LSR R1, R0,#1
LSR R2, R0,#2
LSR R3, R0,#3
HALT

2. Comprendre le fonctionnement de l’instruction LSR.

LSR R3, R0,#3

Exercice 7

Écrire un programme qui :

• demande un nombre à l’utilisateur parmi les puissances de 2 (2, 4, 8, 16, 32, …),
• compte le nombre de fois où on doit diviser ce nombre par 2 pour obtenir 1.

      MOV R12,#0        //nombre de divisions
      LDR R1,.InputNum  //choix du nombre
boucle:
      LSR R1,R1,#1      //divise par 2
      ADD R12,R12,#1    //incrémente compteur
      CMP R1,#1         //fin de boucle?
      BNE boucle
      STR R12, .WriteUnsignedNum //affiche la valeur
      HALT

Exercice 8

• On souhaite écrire un programme qui demande à 10 élèves, leur durée du trajet lycée-maison (en minutes) et compte le nombre d’élèves dont le trajet dépasse 60 minutes.
• À la fin le programme affichera ce nombre en sortie.
• Ce nombre devra également être sauvegardé dans la mémoire vive de la machine.

Remettre les instructions dans l’ordre, afin de réaliser le programme.

      HALT
boucle:
      BNE boucle        
augmentecompteur:
      ADD R2,R2,#1      
      MOV R0,#0         //initialise le compteur
      LDR R1,.InputNum
      CMP R1,#60
      BLT augmentecompteur 
      ADD R0,R0,#1
      CMP R0,#10
      STR R2,.WriteUnsignedNum 
      MOV R2,#0         //initialise le nombre de durée
      STR R2,120       

      MOV R0,#0         //initialise le compteur
      MOV R2,#0         //initialise le nombre de durée
boucle:
      LDR R1,.InputNum
      CMP R1,#60
      BLT augmentecompteur // la valeur est <60: on ne la compte pas
      ADD R2,R2,#1      //compte la valeur
augmentecompteur:
      ADD R0,R0,#1
      CMP R0,#10
      BNE boucle        // tant qu'on n'a pas fait 10 tours
      STR R2,120        // stockage en mémoire
      STR R2,.WriteUnsignedNum // affichage
      HALT

Exercice 9

Pour faciliter le travail des enseignants, on se propose de construire un programme qui permet de calculer la moyenne des notes d’un élève.

Le programme devra:

• demander à l’utilisateur de rentrer huit notes,
• calculer la somme des notes,
• calculer la moyenne,
• afficher la moyenne.

    MOV R0,#0         //somme des notes
    MOV R12,#8        //nombre de notes
    MOV R11,#0        //compteur
bouclenote:
    LDR R1,.InputNum
    ADD R0,R0,R1      //ajoute note
    ADD R11,R11,#1    //incrémente compteur
    CMP R11,R12       //fin de boucle?
    BNE bouclenote
    LSR R0,R0,#3      //calcule moyenne
    STR R0,.WriteUnsignedNum
    HALT