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%comment inserer une image ?

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%\textbackslash pour écrire \
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%$\mathcal{ABC}$
%\textbackslash
%\textbf{Partie A} : \textit{Résolution graphique}


%É
%\dbend virage dangereux
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\begin{document}
%\devoirdm{1 (Devoir maison)}{STS2I}{pour le 23 septembre 2010}
%\correctiondevoir{6 (DM)}{1{\textsuperscript{ère}}S3}{Septembre 2009}
\Large 


\normalsize

\begin{center}
{\LARGE Chapitre  : S.O.C (Système On a Chip) }
\end{center}

\section{Introduction}

Depuis plus de soixante ans, l'architecture des ordinateurs est conforme à un schéma qui a peu évolué depuis son origine : le modèle dit « de von Neumann ». Ce modèle  est représenté par le schéma ci-dessous :

\vspace{5cm}
\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(3,0.5){\includegraphics[scale=0.8]{modele-originel2.png}}
 \end{picture}


On distingue trois éléments : 
\begin{itemize}
\item Le processeur (CPU)  :  élément permettant d'exécuter les instructions d'un programme
\item La mémoire : éléments permettant de stocker les données.
\item Les entrées et sorties : éléments permettant la communication entre l'ordinateur et l'être humain appelés périphériques.
\end{itemize}



\section{Le processeur}

\subsection{Présentation}

Le processeur (CPU, pour Central Processing Unit) effectue les calculs à partir des
données, des instructions(codées sous forme binaires) qui lui parviennent.
Le processeur est  composés de millions de transistors placés dans un boîtier
comportant des connecteurs d'entrée-sortie.


Quelques caractéristiques d'un processeur :

\begin{itemize}
\item \textbf{L'horloge}
Le processeur est cadencé par une horloge interne qui envoie des impulsions. La fréquence d'horloge, correspond
nombre d'impulsions par seconde. Elle s'exprime en Hertz
(Hz). Pour un  ordinateur à 2 GHz, l'horloge envoie  2 000 000 
000 impulsions par seconde. Cette horloge permet notamment au processeur de basculer constamment d'un processus à l'autre sans que l'utilisateur ne s'en aperçoive.
\item \textbf{MIPS}

\item \textbf{32bits - 64bits}

\item \textbf{Le nombre d'unités de calcul}


\end{itemize}












\section{Les mémoires}


\subsection{Présentation}

Une « mémoire » est un composant
électronique capable de stocker des informations.


Une mémoire est caractérisée par :
\begin{itemize}
\item Sa capacité, représentant le volume global d'informations
(en bits) que la mémoire peut stocker.
\item Son temps d'accès, correspondant à l'intervalle de temps
entre la demande de lecture/écriture et la disponibilité de la
donnée.
\item Sa persistance
\end{itemize}


\subsection{Volatile V.S permanente}

\begin{flushleft}
https://fr.wikipedia.org/wiki/Octet

\end{flushleft}


\subsubsection{Temps d'accès}




\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(-0.8,-6){\includegraphics[scale=0.6]{memoire.png}}
 \end{picture}

\vspace{6cm}
\begin{itemize}
\item \textbf{Mémoire volatile} : le contenu de la mémoire n'existe que si il y a
une alimentation électrique (typiquement les mémoires caches et mémoire centrale)
\item \textbf{Mémoire permanente}, de masse : mémoire de grande capacité dont
le contenu demeure même sans alimentation électrique (typiquement le disque dur)
\end{itemize}







\newpage

\section{Exercices}




\exercice



Voici un extrait des caractéristiques du dernier Raspberry PI 4 :

~~\\~~\\~~\\~~\\~~\\~~\\~~\\~~\\~~\\~~\\~~\\~~\\~~\\~~~~\\~~
\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(1,0){\includegraphics[scale=0.65]{raspberry1.png}}
 \end{picture}

\begin{enumerate}
\item Que signifie SoC (en français et en  anglais) ?
\item Quelle est la différence entre un SoC d'un nano-ordinateur et un processeur d'un ordinateur classique ?
\item Qu'est ce que la SDRAM ?
\item Que signifie Quad Core ?
\item Quelle est la fréquence de l'horloge ?
\item Qu'est ce que L2 Cache ?
\item Qu'est ce que floating-point unit ?
\item Que signifie 64bits SoC ?
\item Pour calculer le nombre d'opérations par seconde (FLOPS\footnote{https://fr.wikipedia.org/wiki/FLOPS}) du SoC, on utilise la formule
suivante : $FLOPS = nb coeur \times freq \times nb_{flops/cycle}$


Sachant que le SoC réalise 4 flops par cycle d'horloge: 
\begin{enumerate}
\item De combien de c\oe ur(s) est constitué le SoC de ce Raspberry ?
\item  Calculer le nombre d'opérations du Raspberry :
\item Comparez le résultat aux 6 Tflops de la Xbox one X :
\end{enumerate}




\end{enumerate}


\exercicetitre{Un peu d'histoire ...}


Depuis le tout premier circuit intégré (le 4004) jusqu'à nos jours, cette loi s'est toujours vérifiée, même si on s'en éloigne actuellement. Voici un exemple avec quelques processeurs d'Intel :

1971 : Intel 4004 : 2 300 transistors

1978 : Intel 8086 : 29 000 transistors

1982 : Intel 80286 :  275 000 transistors

1989 : Intel 80486 : 1 160 000 transistors

1993 : Pentium : 3 100 000 transistors

1995 : Pentium Pro : 5 500 000 transistors

1997 : Pentium II : 27 000 000 transistors

2001 : Pentium 4 : 42 000 000 transistors

2004 : Pentium Extreme Edition : 169 000 000 transistors

2006 : Core 2 Quad : 582 000 000 transistors

2010 : Core i7 : 1 170 000 000 transistors


En 1965, la loi de Moore affirme que tous les 18 mois, le nombre de transistors gravés sur un même circuit intégré double. Est-ce que les données vérifient  la loi de Moore?



\newpage


\section{ S.O.C}

\subsection{Intro}


Bananes + éplucheur + broyeur= purée de bananes
\vspace{4cm}
Fabriquons un SoC en laissant  le broyeur et l'éplucheur sur le plan de travail (à proximité de l'unité de calcul alias "le marmiton")
\vspace{4cm}


\subsection{System On a Chip}

Plus les données sont proches du processeur, plus l'acces y est rapide. Meilleurs performances.\\
L'idées est de centralisée c'est à dire de fabriquer des puces qui contiennent une carte graphique, une carte 4G,
GPS, carte wifi.\\

\vspace{4cm}
Avantages :
\begin{itemize}
\item  - de conso (car moins d'alimentation)
\item + de performences
\end{itemize}
\vspace{3cm}
Inconvénients :
\begin{itemize}
\item Pas de mise à jour matériel
\item Peu résilient (5G !)
\item le top pour l'obsolescence programmée.
\end{itemize}

\end{document}



\exercice 
\begin{enumerate}
\item Lire la page  : https://fr.wikipedia.org/wiki/Octet
~~\\~~

\item Montrer que l'affichage \\
 donné par Vista  n'est pas correct :
\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(3,-1){\includegraphics[scale=0.30]{vista.png}}
 \end{picture}
 
 ~~\\~~
 
\item Tester les commandes : \textit{free -~\hspace{-0.1cm}-kibi ~~~~;~~~~ free -~\hspace{-0.1cm}-kilo}.
\item Justifier que les affichages \\de la colonne total sont cohérents.

\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(5.5,-2){\includegraphics[scale=0.65]{kibikilo.png}}
 \end{picture}


\end{enumerate}

~~\\~~\\~~\\~~

\exercice

Placer les différents composants\\
 de l'ordinateur et expliquez leur rôle :

\begin{itemize}
\item Processeur
\item Horloge
\item Mémoire cache
\item Mémoire centrale
\item Bus
\item Entrées
\item Sorties


\end{itemize}




\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(7.5,-4){\includegraphics[scale=1]{bilan.png}}
 \end{picture}
 
 
 \newpage
 
 
 \section{Un peu d'histoire}
 
 
 



\section{De l'ENIAC au téléphone portable}







Le premier ordinateur entièrement électronique capable, en principe, de résoudre tous les problèmes calculatoires par la saisie d'un programme informatique est l'ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) construit en 1945.

\vspace{5cm}
\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(1,0){\includegraphics[scale=0.29]{eniac.jpg}}
\end{picture}


Sa capacité est de 20 nombres à 10 chiffres signés permettant chacun de réaliser 5 000 additions simples chaque seconde (pour un total de 100 000 additions par seconde). Il ne peut en revanche gérer que 357 multiplications ou 38 divisions par seconde. Cette puissance de calcul lui a permi en 1949 de calculer 2000 décimales de pi de en 70 heures. Son poids est de 30 tonnes et il occupe la surface d'une maison individuelle ! Sa consommation est de 150 kW, soit l'équivalent de 100 bouilloires électriques branchées simultanément ! Il faudrait la puissance électrique disponible dans une vingtaine de maisons individuelles pour l'alimenter.\\


Dans les années 1960, les mission Apollo qui ont envoyé des hommes sur la lune ont imposé une puissance de calcul disponible dans un espace restreint. Cela a conduit à la conception de l'ordinateur AGC (Apollo Guidance Computer).

\vspace{4cm}
\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(1,0.5){\includegraphics[scale=0.3]{agc.jpg}}
\end{picture}

Celui-ci ne pèse que 32kg et possède une consommation électrique suffisemment faible pour être embarqué dans une capsule spatiale fonctionnant sur batteries. Ces progrès ont été possibles grâce notamment au recours aux circuits intégrés (CI) pour réaliser des fonctions logiques : Il a fallu plus de 5 000 portes NOR pour constituer l'unité de calcul de l'AGC. Voici une photo de l'une d'entre elles :

\vspace{3cm}
\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(1,0){\includegraphics[scale=0.4]{nor-die.jpg}}
\end{picture}

L'AGC possède une mémoire de stockage de 72ko et une mémoire de travail (RAM) de 2ko.

\newpage

Le premier microprocesseur commercialisé est apparu en 1971 : c'est le 4004 d'Intel.\\

\vspace{3cm}
\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(1,0){\includegraphics[scale=0.4]{Intel_C4004.jpg}}
\end{picture}

Il intègre dans une seule puce 2300 transistors ce qui lui donne une puissance de calcul comparable à l'ENIAC !!

En 1975 est apparu le premier microprocesseur bon marché permettant l'essort des ordinateurs personnels : le 6502 de MOS. Ce microprocesseur a équipé le tout premier ordinateur APPLE (APPLE 1) et est encore fabriqué de nos jours ! Le site Visual 6502 permet de voir le fonctionnement interne de ce processeur lors de l'exécution d'un programme.

A partir des années 1980, l'architecture des ordinateurs n'a plus beaucoup évolué. Les puces ont intégré de plus en plus de composants leur permettant de réaliser des opérations plus complexes. La miniaturisation de la gravure de la puce a permis une montée de la fréquence d'horloge permettant aux ordinateurs d'aller plus vite ainsi qu'une consommation d'énergie moindre.

Les puces sont devenues tellement miniaturisées que l'on trouve maintenant sur une seule puce un système embarqué complet réalisant toutes les fonctions d'un ordinateur. La carte BBC microbit en est un exemple :


\vspace{3cm}
\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(1,0){\includegraphics[scale=1.25]{BBC_Microbit.jpg}}
\end{picture}


Cette carte embarque un microcontrolleur qui est un système complet tenant dans une seule puce : SoC (System On Chip). On y trouve de la mémoire RAM, de la mémpore FLASH, un microprocesseur, des périphériques d'interface, un circuit radio.

Une autre catégorie de l'utilisation de ces puces intégrées se trouve dans les SBC (Single Board Computers) ou ordinateurs sur carte unique dont le représentant le plus célèbre est probablement le Raspberry Pi


\vspace{4cm}
\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(1,0){\includegraphics[scale=0.4]{raspberry.jpeg}}
\end{picture}


Cette carte est assez puissante pour faire fonctionner le système d'exploitation Linux et être utilisé comme ordinateur de bureau. Il est néanoins le plus souvent utilisé en mini serveur.

L'aboutissement de toute cette miniaturisation est le téléphone portable qui intègre tout ce que la technologie peut nous apporter : un microprocesseur puissant, de la mémoire, des interfaces de communication rapides (4G, 5g, Wifi...), un contrôleur graphique digne d'une console de jeu, tout cela fonctionnant sur batterie avec une durée de fonctionnement de plusieurs heures.




Le téléphone portable semble réaliser l'impossible : concilier à la fois performances, fonctionnalités et consommation électrique réduite. Le secrêt réside dans l'intégration de toutes les fonctionnalités sur une seule puce électronique. Une telle intégration est possible grâce à une gravure de plus en plus fine. Aujourd'hui la finesse de gravure descend en dessous de 10nm, soit quelques dizaines de couches atomiques ! Cela permet :\\~~\\
    - d'intégrer plus de 10 milliards de transistors sur une même puce et donc de miniaturiser davantage la puce tout en augmentant ses fonctionnalités\\  
    - de monter en fréquence et de gagner en performance car les signaux électriques se propagent de plus courtes distances\\
    - de limiter les déperditions d'énergie et donc augmenter l'autonomie du téléphone.\\
    

Le microprocesseur n'est qu'un composant du SoC qui est au c\oe ur du téléphone. On peut voir un SoC comme un PC miniaturisé à l'extrême. Il comprend donc des composants et contrôleurs lui permettant de gérer tous les équipements de votre smartphone, qu'il s'agisse de l'appareil photo, de la mémoire interne, ou encore des modules radio.

Voici la photo d'un iPhone 4S démonté. Comme vous le voyez, le nombre de composants est très réduit au regard des fonctionnalités ! La puce principale SoC est la puce A5.


\vspace{4cm}
\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
     \put(1,-1){\includegraphics[scale=0.25]{iphone.png}}
     \put(1,-6){\includegraphics[scale=0.25]{A5.png}}
     \put(10,-6){\includegraphics[scale=0.6]{soc.png}}
\end{picture}


\vspace{7cm}

\begin{flushright}
\textit{Source : https://www.lecluse.fr/nsi/NSI$\_$T/archi/soc/}
\end{flushright}







\newpage


 
 \exercice
Sur les photos ci-dessous, identifier le processeur.
\vspace{7cm}

\unitlength=1cm
\begin{picture}(0,0)
    \includegraphics[scale=0.05]{processeur1.jpg}
     \includegraphics[scale=0.3]{processeur2.jpg}
     \includegraphics[scale=0.5]{processeur3.png}
\end{picture}


 \end{document}

