Objectif

L’objectif de ce module est de démystifier le fonctionnement d’un ordinateur, en décrivant le fonctionnement des différents éléments qui le composent. On fera notamment découvrir aux étudiants comment tout calcul complexe se réduit à un enchaînement d’opérations élémentaires sur des bits, comment les structures de contrôle des langages de programmation peuvent être réalisées à l’aide des instructions d’un microprocesseur, et comment le processeur interagit avec son environnement via des périphériques. L’apprentissage est principalement axé sur la pratique, avec la conception d’un microprocesseur simple dans un simulateur, et la programmation d’un microcontrôleur équipé de périphériques simples.

Compétences acquises dans ce module :

analyser le fonctionnement d’un processeur
analyser les interactions entre un processeur et son environnement (mémoire, périphériques, interruptions)
déterminer l’impact des structures de contrôle des langages de programmation sur l’exécution des programmes
être capable de décrypter la fiche descriptive d’une carte ou d’un ordinateur.

Logiciels nécessaires

Java 1.8 ou ultérieur (pour exécuter LogiSim). Installez de préférence le kit de développement (JDK), vous en aurez besoin par la suite. La licence d'utilisation de Java par Oracle a changé à partir de la version 1.9, vous pouvez installer la version OpenJDK à la place de celle d'Oracle.
Python 3 avec le module pyparsing (pour l'assembleur de la machine de cours) et pyserial (pour communiquer avec la pyboard).
Mieux que l'assembleur rudimentaire écrit en Python, il existe un éditeur Eclipse qui génère le listing et le code machine à chaque fois que vous enregistrez un fichier .arm. Pour l'installer dans Eclipse, ajoutez l'update site MiniARM update site avec pour adresse https://wdi.centralesupelec.fr/boulanger/misc/mini-arm-update-site et installez ce qui s'y trouve. Vous pouvez aussi installer directement une version d'Eclipse avec tous les plug-ins nécessaires pour cette année.
L'éditeur Thonny (solution simple pour communiquer avec diverses cartes Micropython)
L'éditeur Mu (solution simple pour communiquer avec la pyboard, mais peut poser des problèmes avec les fichiers trop longs)

Notez que l'image Docker fredblgr/docker-webtop-3asl que vous pouvez lancer sur votre machine grâce aux scripts start-3asl.sh ou start-3asl.ps1, ou exécuter sur MyDocker, contient Logisim, mais ne vous permettra pas de vous connecter à la Pyboard. Utilisez donc Thonny pour cela.

Logisim

Vous trouverez ci-dessous les versions de Logisim pour (en cas de problème de version de Java ou autre, utilisez le .jar qui fonctionne partout) :

Toute plateforme: logisim.jar, enregistrez le fichier où vous voulez, l'application se lance en double-cliquant le .jar.
Mac OS: logisim+.zip, décompressez cette archive et placez l'application Logisim+ où vous voulez, par exemple dans le dossier Applications de votre Mac. Comme cette application n'est pas siognée par un développeur officiellement enregistré auprès d'Apple, MacOS refusera d'exécuter l'application. Vous devrez donc faire un clic droit et sélectionner "Ouvrir", jusqu'à ce que l'application se lance.
Linux: logisim-linux.tgz, décompressez l'archive, placez le dossier Logisim là où vous le souhaitez, puis, dans un terminal, placez vous dans ce dossier et exécutez la commande ./install.sh. Il suffit ensuite de double-cliquer sur le fichier Logisim pour lancer l'application.
Windows: logisim-windows.exe

Enseignants

Frédéric Boulanger frederic.boulanger@centralesupelec.fr

Séances

séance 1 : cours, de l'introduction à la conception d'un processeur
séance 2 : premier bureau d'étude (logique, arithmétique, circuits séquentiels, chemin de données)
séance 3 : cours, fin de la conception d'un processeur, codage en langage d'assemblage
séance 4 : 2e bureau d'étude (conception d'un microprocesseur)
séance 5 : 3e bureau d'étude (programmation en langage d'assemblage, appels de fonctions, récursion)
séance 6 : cours, mémoires, entrées-sorties, interruptions, systèmes d'exploitation
séance 7 : 4e bureau d'étude (Micropython : entrées-sorties simples, interruptions)
séance 8 : 5e bureau d'étude (Micropython : entrées-sorties, notion de pilote de périphérique, interface avec un coupleur)

Bureaux d'étude

Premier BE : logique combinatoire, bascules, registres, chemin de données d'un processeur
Deuxième BE : conception d'un microprocesseur
Troisième BE : traduction de quelques constructions Python en langage d'assemblage
Quatrième BE : entrées-sorties simples, interruptions
Cinquième BE : entrées-sorties, notion de pilote de périphérique

Informations complémentaires

Des volts aux booléens : réalisation de portes logiques à l'aide de transistors
Des booléens aux entiers : arithmétique binaire avec des portes logiques
Arithmétique binaire : représentation des entiers, complément à 2, retenues et débordements
Circuits séquentiels : construction de circuits qui mémorisent des informations
Machine de cours : le mini processeur ARM vu en cours

Ressources

Langage machine par Matt Godbolt sur la chaîne Youtube Computerphile

Ouvrages

Andrew Tanenbaum, Architecture de l'ordinateur, 4^e édition, 2001

Andrew Tanenbaum, Structured Computer Organization, 6^th edition, 2012

John Hennessy, David Patterson, Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, 5^th edition, 2013

John Hennessy, David Patterson, Organisation et conception des ordinateurs : l'interface matériel/logiciel, 1994

John Hennessy, David Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach, 5^th edition, 2011