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Cours d'architecture des ordinateurs
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Cours d'architecture des ordinateurs

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Maîtrisez les principes qui animent tout processeur moderne, des portes logiques et jeux d'instructions à l'exécution hors ordre et aux architectures GPU. Ce cours vous offre la profondeur technique nécessaire pour comprendre, analyser et concevoir des systèmes informatiques au niveau matériel. Que vous visiez la conception de puces, la programmation système ou la recherche avancée, voici les fondations dont vous avez besoin.

Dedika pour les entreprises

Ce que vous allez apprendre:

Vous construirez une compréhension complète de la façon dont les processeurs sont conçus et comment ils exécutent les instructions efficacement. En commençant par la logique numérique et la représentation des nombres, vous progresserez à travers la conception d'ISA, les chemins de données à cycle unique et pipeline, et l'exécution superscalaire avancée. Vous étudierez l'ensemble de la hiérarchie mémoire, y compris l'organisation de cache, la DRAM et les technologies émergentes non volatiles. Le cours couvre également les systèmes multiprocesseurs, les architectures GPU, les sous-systèmes d'E/S, la sécurité matérielle et les accélérateurs spécifiques à un domaine. À la fin, vous serez en mesure d'analyser les goulots d'étranglement de performance et d'évaluer les compromis architecturaux avec confiance.

Comment vous étudiez de façon pratique Cours d'architecture des ordinateurs

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Pour vous, entreprise, qui souhaitez former votre équipe

Avec Dedika pour les entreprises, le cours inclut des exercices et des exemples adaptés à votre activité et aux besoins spécifiques de votre entreprise.

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Contenu du cours

8 Chapitres • 40 LeçonsDurée entre 4 et 360 heures (vous décidez)

Chapitre 1Voir les détails

Fondements de l'architecture des ordinateurs

  • Leçon 1 • Logique séquentielle et machines à états

    Présente les bascules, les registres et les machines à états finis qui stockent et séquencent l'information. Fait le pont entre la logique combinatoire et le concept d'état du processeur.

  • Leçon 2 • Architectures de Von Neumann et Harvard

    Compare les deux modèles architecturaux dominants qui régissent la manière dont les instructions et les données sont stockées et récupérées. Prépare le terrain pour les discussions sur le jeu d'instructions et la mémoire.

  • Leçon 3 • Histoire et évolution de l'informatique

    Retrace l'informatique des calculateurs mécaniques aux processeurs modernes, en établissant les raisons des décisions architecturales. Fournit un contexte historique pour chaque concept introduit ultérieurement.

  • Leçon 4 • Systèmes de numération et représentation des données

    Explique les formats de nombres binaires, octaux, hexadécimaux et signés utilisés à l'intérieur des processeurs. Initie les étudiants à la manière dont toutes les données sont physiquement encodées.

  • Leçon 5 • Concepts de base de la logique numérique

    Couvre l'algèbre de Boole, les portes logiques et les circuits combinatoires comme éléments de base de tout matériel. Relie les mathématiques abstraites au comportement physique des circuits.

Chapitre 2Voir les détails

Conception de l'architecture du jeu d'instructions

  • Leçon 1 • Types d'instructions et opérations

    Catégorise les instructions arithmétiques, logiques, de transfert de données, de contrôle de flux et spéciales. Montre comment la couverture des opérations affecte les capacités du compilateur et du programmeur.

  • Leçon 2 • Rôles et classification des ISA

    Définit ce qu'un ISA spécifie et comment les philosophies RISC et CISC diffèrent dans leurs objectifs de conception. Établit le vocabulaire utilisé dans tous les chapitres sur la conception des processeurs.

  • Leçon 3 • Bases de la programmation en langage assembleur

    Traduit les concepts de l'ISA en codage pratique en assembleur, renforçant la connaissance du format des instructions et des modes d'adressage. Fournit une base pratique avant l'étude de la microarchitecture.

  • Leçon 4 • Formats d'instructions et encodage

    Couvre les formats d'instructions à longueur fixe, variable et hybride ainsi que leur impact sur la complexité du décodage. Relie les choix d'encodage à l'efficacité du pipeline.

  • Leçon 5 • Modes d'adressage

    Passe en revue les modes d'adressage immédiat, direct, indirect, indexé et relatif et le moment où chacun est approprié. Prépare les étudiants à analyser les schémas d'accès à la mémoire dans les programmes.

Chapitre 3Voir les détails

Chemin de données et contrôle du processeur

  • Leçon 1 • Banque de registres et mémoire de données

    Explique l'organisation de la banque de registres, les ports de lecture/écriture et l'interface avec la mémoire de données dans le chemin de données. Relie les éléments de stockage au flux d'exécution des instructions.

  • Leçon 2 • Analyse des performances d'une conception monocyle

    Mesure la période d'horloge, le CPI et le débit du processeur monocyle, révélant son inefficacité. Motive les techniques de pipelining introduites dans le chapitre suivant.

  • Leçon 3 • Conception de l'unité de contrôle

    Dérive les signaux de contrôle à partir des champs opcode à l'aide de tables de vérité et de la minimisation logique. Montre comment l'unité de contrôle orchestre chaque composant du chemin de données pour chaque instruction.

  • Leçon 4 • Conception et fonctionnement de l'UAL

    Construit des unités arithmétiques et logiques supportant l'addition, la soustraction et les opérations bit à bit avec détection de retenue et de débordement. Ancre la conception du chemin de données dans un matériel concret.

  • Leçon 5 • Construction du chemin de données monocyle

    Intègre l'UAL, la banque de registres, la mémoire et le PC dans un chemin d'exécution monocyle unifié. Les étudiants tracent chaque type d'instruction à travers le chemin de données complet.

Chapitre 4Voir les détails

Pipelinage et gestion des aléas

  • Leçon 1 • Aléas structurels et conflits de ressources

    Examine les conflits de ressources provenant du partage de la mémoire et des unités fonctionnelles et les résout par la duplication ou l'ordonnancement. Achève la taxonomie des aléas pour la conception de pipelines.

  • Leçon 2 • Aléas de données et forwarding

    Identifie les aléas RAW, WAR et WAW et les résout par des chemins de forwarding et l'insertion de bulles d'attente. Démontre comment le forwarding élimine la plupart des pénalités liées aux aléas de données.

  • Leçon 3 • Techniques avancées de pipelinage

    Étend le pipelinage de base à des pipelines plus profonds, au superpipelinage et à la gestion des exceptions dans un pipeline. Prépare les étudiants aux concepts d'exécution superscalaire et hors-ordre.

  • Leçon 4 • Fondamentaux du pipeline

    Présente le modèle de pipeline à cinq étages et explique comment le chevauchement des instructions augmente le débit. Établit les limites des étages et les registres inter-étages.

  • Leçon 5 • Aléas de contrôle et prédiction de branchement

    Analyse les pénalités de branchement et évalue les stratégies de prédiction statique et dynamique pour minimiser les cycles gaspillés. Relie la précision de la prédiction aux performances globales du pipeline.

Chapitre 5Voir les détails

Hiérarchie mémoire et conception de cache

  • Leçon 1 • Mémoire principale et technologies de stockage

    Décrit l'organisation de la DRAM, les variantes de SDRAM et les caractéristiques des dispositifs de stockage, y compris les SSD. Complète l'image de la hiérarchie, du cache au stockage persistant.

  • Leçon 2 • Optimisation des performances du cache

    Applique le préchargement, les caches victimes, le premier mot critique et les optimisations du compilateur pour réduire les pénalités d'échec. Quantifie l'amélioration à l'aide de l'analyse AMAT.

  • Leçon 3 • Organisation et adressage du cache

    Couvre les organisations de cache à association directe, associative par ensemble et totalement associative et leurs implications sur le taux d'échec. Relie la politique d'adressage à la complexité matérielle et aux performances.

  • Leçon 4 • Principes de la hiérarchie mémoire

    Explique la localité de référence, les niveaux de hiérarchie et le compromis coût-capacité-vitesse qui guide la conception de la hiérarchie. Encadre toutes les discussions ultérieures sur le cache et la mémoire.

  • Leçon 5 • Politiques de remplacement et d'écriture du cache

    Évalue les algorithmes de remplacement LRU, FIFO et aléatoire ainsi que les politiques write-through et write-back. Montre comment les choix de politiques affectent le taux d'échec et le trafic mémoire.

Chapitre 6Voir les détails

Exécution superscalaire et hors-ordre

  • Leçon 1 • VLIW et parallélisme ordonné par le compilateur

    Compare l'approche OOO centrée sur le matériel à l'approche VLIW pilotée par le compilateur pour l'exploitation de l'ILP. Évalue la densité de code, la compatibilité binaire et la complexité de l'ordonnancement.

  • Leçon 2 • Algorithme de Tomasulo et stations de réservation

    Explique le renommage de registres via les stations de réservation et comment l'algorithme de Tomasulo permet l'exécution hors-ordre. Résout dynamiquement les aléas WAR et WAW.

  • Leçon 3 • Tampon de réorganisation et exceptions précises

    Présente le tampon de réorganisation pour valider les résultats dans l'ordre tout en exécutant hors-ordre. Garantit une sémantique d'exception précise dans les processeurs OOO.

  • Leçon 4 • Concepts de parallélisme au niveau des instructions

    Définit l'ILP, les dépendances vraies et fausses, et les limites théoriques de l'exécution parallèle des instructions. Établit la motivation pour les conceptions superscalaires et OOO.

  • Leçon 5 • Conception de processeur superscalaire

    Couvre la logique de récupération, de décodage et de dispatch multi-émission nécessaire pour émettre plusieurs instructions par cycle. Relie la largeur superscalaire aux rendements décroissants de l'ILP.

Chapitre 7Voir les détails

Architecture multiprocesseur et parallèle

  • Leçon 1 • Réseaux d'interconnexion

    Évalue les topologies de bus, crossbar, maillage, tore et fat-tree pour la latence, la bande passante et le coût. Relie la conception du réseau aux limites d'évolutivité du multiprocesseur.

  • Leçon 2 • Architectures GPU et parallélisme de données

    Examine la conception du streaming multiprocessor des GPU, l'exécution des warps et la hiérarchie mémoire pour les charges de travail de parallélisme de données. Compare l'optimisation du débit du GPU avec l'optimisation de la latence du CPU.

  • Leçon 3 • Protocoles de cohérence de cache

    Explique le problème de cohérence dans les systèmes à mémoire partagée et implémente les protocoles d'espionnage et à répertoire. Relie le choix du protocole à l'évolutivité et au surcoût de trafic.

  • Leçon 4 • Taxonomie du calcul parallèle

    Classe les architectures parallèles à l'aide de la taxonomie de Flynn et distingue les modèles SIMD, MIMD et hybrides. Fournit un cadre pour évaluer toutes les conceptions de systèmes parallèles.

  • Leçon 5 • Modèles de consistance mémoire

    Distingue la consistance séquentielle des modèles relâchés et explique comment les barrières mémoire imposent l'ordre. Prépare les étudiants à raisonner sur la correction des programmes concurrents.

Chapitre 8Voir les détails

Systèmes d'E/S et intégration système

  • Leçon 1 • Intégration système sur puce

    Examine la conception SoC intégrant CPU, GPU, contrôleurs mémoire et E/S sur une seule puce. Évalue l'interconnexion sur puce, les domaines d'alimentation et les compromis de conception.

  • Leçon 2 • E/S programmées, pilotées par interruption et DMA

    Compare les modes de transfert par scrutation, par interruption et par DMA pour l'utilisation du CPU et le débit. Montre quand chaque mode est approprié pour différentes vitesses de périphériques.

  • Leçon 3 • Fondamentaux du système d'E/S

    Définit les caractéristiques des périphériques d'E/S, les taux de transfert et le rôle des contrôleurs dans l'abstraction du matériel. Établit les métriques de performance des E/S utilisées dans tout le chapitre.

  • Leçon 4 • Architecture et protocoles de bus

    Analyse les conceptions de bus synchrones et asynchrones, les schémas d'arbitrage et les limitations de bande passante. Relie la conception du bus aux contraintes de performances au niveau système.

  • Leçon 5 • Interconnexions d'E/S modernes

    Passe en revue les interconnexions série haut débit, les liaisons point à point et l'architecture PCIe remplaçant les bus parallèles hérités. Évalue la mise à l'échelle de la bande passante et le surcoût protocolaire.

Certification

Votre certificat valide de réussite

Ce cours est fait pour vous :

  • Étudiants en informatique : prêts à aller au-delà du logiciel vers les fondamentaux du matériel.

  • Étudiants en génie électrique : faisant le pont entre les connaissances en circuits et la conception complète de processeur.

  • Développeurs de logiciels : souhaitant comprendre ce qui se passe sous le système d'exploitation.

  • Ingénieurs en systèmes embarqués : cherchant une compréhension plus approfondie du comportement et des contraintes du processeur.

  • Passionnés de matériel : passionnés par la façon dont les puces calculent réellement au niveau du silicium.

  • Candidats aux études supérieures : construisant une base rigoureuse avant une recherche avancée en architecture.

Ce que disent nos élèves

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Giulio Carlo
Giulio CarloÉtudiant en Marketing Digital
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Mariana Ferres
Mariana FerresÉtudiante en Photographie
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Luciana AlvarengaÉtudiante en Design d'Ongles
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André FelipeÉtudiant en Ingénierie de Prompt

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