Architectures logicielles et matérielles : Cours, études de cas et exercices corrigés

Détails du livre

Titre	Architectures logicielles et matérielles : Cours, études de cas et exercices corrigés
Auteur(s)	Paul Amblard, Jean-Claude Fernandez, Fabienne Lagnier, Florence Maraninchi, Pascal Sicard, Philippe Waille
Éditeur	Dunod
Année	1999
Langue	Français
Pages	587
ISBN	978-2-10-004893-9
Collection	Sciences Sup
Domaine	Architecture des ordinateurs, Informatique, Génie logiciel
Taille	3 MB
Extension	PDF

Présentation de l'ouvrage

Publié le 13 décembre 1999 aux éditions Dunod dans la collection Sciences Sup, cet ouvrage collectif signé par six enseignants-chercheurs grenoblois représente l'une des contributions les plus originales et les plus ambitieuses de la littérature francophone en architecture des ordinateurs. Ses auteurs sont issus des laboratoires TIMA (Techniques de l'Informatique et de la Microélectronique pour l'Architecture des systèmes intégrés), VERIMAG (Vérification et Modélisation des Systèmes) et LSR-IMAG (Laboratoire Logiciels Systèmes Réseaux), qui constituent ensemble l'un des pôles d'excellence mondial dans les domaines de l'architecture des systèmes, des langages synchrones et de la vérification formelle. Ce contexte scientifique exceptionnel explique la profondeur conceptuelle et l'originalité de l'approche adoptée dans l'ouvrage : ses auteurs ne sont pas de simples pédagogues, mais des chercheurs qui ont contribué eux-mêmes aux fondements théoriques des domaines qu'ils exposent. L'ouvrage répond à un constat largement partagé dans la communauté informatique française : l'architecture des ordinateurs est trop souvent enseignée de manière descriptive, en présentant des composants et des circuits sans expliquer les concepts fondateurs qui leur donnent une logique cohérente.

La démarche adoptée par les auteurs est délibérément conceptuelle et transversale. Plutôt que de séparer artificiellement le matériel et le logiciel — deux mondes que les cursus universitaires classiques traitent souvent dans des cours distincts sans jamais les relier — cet ouvrage montre que les mêmes concepts fondateurs structurent les deux niveaux d'abstraction. La notion d'automate à états finis, la notion de langage formel, celle d'itération et de récursivité, ou encore celle de communication entre composants : tous ces concepts se retrouvent aussi bien dans la conception d'un circuit numérique que dans l'écriture d'un programme. L'ouvrage est découpé en six grandes parties complémentaires : les outils de base de l'algorithmique logicielle et matérielle, les techniques propres à l'algorithmique matérielle, les techniques de l'algorithmique logicielle, la zone de charnière entre logiciel et matériel, l'architecture d'un système matériel et logiciel simple, et enfin l'architecture des systèmes complexes incluant les systèmes d'exploitation et le fonctionnement multitâches.

L'une des caractéristiques les plus remarquables de cet ouvrage est la place centrale qu'y occupent les études de cas commentées. Pour chaque notion présentée, les auteurs construisent des exemples développés pas à pas, qui ne sont pas de simples illustrations mais de véritables études de cas permettant de comprendre en profondeur comment les concepts s'articulent dans la réalité d'un système informatique. La structure interne d'un processeur est ainsi décortiquée à travers une succession d'étapes qui partent des portes logiques élémentaires pour aboutir à un processeur complet dont chaque composant est justifié conceptuellement. Les exercices corrigés, qui constituent une part substantielle de l'ouvrage, sont organisés par thème et par niveau de difficulté progressive, de façon à permettre à l'étudiant de consolider ses acquis sur chaque notion avant de passer à la suivante. La complémentarité entre l'approche algorithmique — dans laquelle tous les concepts sont exprimés à l'aide d'algorithmes formels — et l'approche par exemples concrets constitue l'originalité pédagogique majeure de cet ouvrage par rapport à ses concurrents.

Cet ouvrage s'adresse principalement aux étudiants de deuxième cycle universitaire en informatique — licence avancée, master premier semestre — ainsi qu'aux élèves des écoles d'ingénieurs dont la formation couvre l'architecture des systèmes informatiques. Il convient également aux candidats aux concours d'entrée dans les grandes écoles d'ingénieurs informatique et aux élèves de classes préparatoires aux grandes écoles souhaitant approfondir leurs connaissances en architecture. Le niveau requis suppose une familiarité avec les bases de l'informatique et de l'algèbre booléenne, mais l'ouvrage est conçu pour être progressif et accessibles à un lecteur motivé ayant une solide formation scientifique générale. Les ingénieurs en exercice souhaitant consolider leurs bases conceptuelles en architecture des systèmes trouveront également dans cet ouvrage une référence structurée et fiable.

Cet ouvrage se distingue de la plupart des manuels d'architecture de l'ordinateur par son ancrage dans la recherche fondamentale en informatique théorique. Les auteurs, tous membres de laboratoires de recherche de premier plan dans l'écosystème grenoblois, apportent une profondeur conceptuelle rare dans ce type de manuel universitaire. La référence à cet ouvrage figure régulièrement dans les bibliographies de cours d'architecture et de systèmes embarqués des universités et écoles d'ingénieurs françaises. Son approche unificatrice — montrer que matériel et logiciel partagent les mêmes concepts fondateurs — reste une proposition pédagogique originale et pertinente, d'autant plus dans un contexte contemporain où la frontière entre les deux niveaux d'abstraction devient de plus en plus poreuse avec le développement des systèmes sur puce (SoC) et des architectures hétérogènes.

Points forts de l'ouvrage

• Approche conceptuelle et unificatrice montrant que les mêmes notions fondatrices — automates, langages, itération, récursivité — structurent aussi bien l'algorithmique matérielle que l'algorithmique logicielle.
• Ouvrage rédigé par six enseignants-chercheurs des laboratoires TIMA, VERIMAG et LSR-IMAG de Grenoble, garantissant une profondeur scientifique et une rigueur conceptuelle exceptionnelles.
• Ensemble de six parties complémentaires couvrant progressivement toute la hiérarchie des architectures informatiques, des composants élémentaires aux systèmes complexes multitâches.
• Tous les concepts sont exposés à l'aide d'algorithmes formels, permettant une présentation à la fois rigoureuse et transposable d'un niveau d'abstraction à l'autre.
• Études de cas développées pas à pas constituant le cœur pédagogique de l'ouvrage, bien plus complètes et commentées que dans les manuels classiques d'architecture.
• Déconstruction rigoureuse de la structure interne d'un processeur depuis les portes logiques jusqu'au processeur complet, avec justification conceptuelle de chaque composant.
• Traitement approfondi des connexions entre systèmes matériels, du système d'exploitation et du fonctionnement multitâches dans la partie consacrée aux architectures complexes.
• Nombreux exercices corrigés organisés par thème et par niveau de difficulté progressive, permettant une autoévaluation rigoureuse à chaque étape de la progression.
• Refus délibéré de l'approche purement descriptive au profit d'une approche compréhensive permettant au lecteur de véritablement maîtriser les concepts fondateurs de l'informatique.
• Ouvrage d'une ampleur exceptionnelle (587 pages) couvrant de manière cohérente et exhaustive l'ensemble du spectre des architectures logicielles et matérielles.
• Ancrage direct dans les recherches sur les langages synchrones, la vérification formelle et l'architecture des systèmes intégrés menées par les auteurs dans leurs laboratoires respectifs.
• Publication dans la collection Sciences Sup de Dunod, gage reconnu de qualité académique pour les manuels de deuxième cycle universitaire et d'écoles d'ingénieurs.

À propos des auteurs

Les six auteurs de cet ouvrage partagent un ancrage commun dans l'écosystème scientifique grenoblois, reconnu mondialement pour ses recherches en architecture des systèmes, en vérification formelle et en langages synchrones. Paul Amblard et Florence Maraninchi sont tous deux rattachés au laboratoire TIMA (Techniques de l'Informatique et de la Microélectronique pour l'Architecture des systèmes intégrés) de Grenoble. Florence Maraninchi est aujourd'hui professeure à Grenoble INP, UGA, Université Grenoble Alpes, à l'Ensimag, et membre du laboratoire Verimag ; ses recherches portent sur les systèmes embarqués, les langages synchrones, la sémantique des langages de programmation et l'interface matériel-logiciel. Elle est citée près de 3 000 fois dans la littérature scientifique internationale. Fabienne Lagnier est chercheuse rattachée au laboratoire VERIMAG (Grenoble) et à l'Université Joseph Fourier (aujourd'hui Université Grenoble Alpes) ; elle a soutenu une thèse de 3e cycle en 1987 à l'Université de Grenoble sur l'implémentation d'un langage fonctionnel par la méthode des combinateurs, et s'est ensuite spécialisée dans l'implémentation des langages synchrones — en particulier Lustre — et dans la vérification formelle des systèmes critiques.

Jean-Claude Fernandez est professeur à l'Université Joseph Fourier et chercheur au LSR-IMAG (Laboratoire Logiciels Systèmes Réseaux), laboratoire dans lequel travaille également Philippe Waille. Jean-Claude Fernandez est notamment connu pour ses travaux sur les automates à états finis et les langages formels, domaine dans lequel il a coécrit un ouvrage de référence publié chez Dunod (Automates à états finis et langages réguliers, avec Ylies Falcone). Pascal Sicard est rattaché au CSI (Centre de Simulation et d'Intégration) à l'INPG de Grenoble. Cet ensemble d'institutions grenobloises — TIMA, VERIMAG, LSR-IMAG, Université Joseph Fourier, INPG — forme un écosystème de recherche d'une richesse exceptionnelle, directement à l'origine de la profondeur conceptuelle et de l'originalité pédagogique de cet ouvrage collectif. Leurs travaux combinés ont produit des avancées fondamentales dans les domaines des langages synchrones réactifs (Lustre, Esterel), de la vérification formelle par model-checking et de la conception conjointe matériel-logiciel.

Livres similaires

• Cours d'informatique : langages et programmation — Pierre-Claude Scholl, Marie-Christine Fauvet, Fabienne Lagnier, Florence Maraninchi
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• Organisation et architecture de l'ordinateur — William Stallings
• Systèmes d'exploitation — Andrew S. Tanenbaum et Herbert Bos
• Logique et informatique — Pierre Sicard
• Computer Organization and Design : The Hardware/Software Interface — David A. Patterson et John L. Hennessy
• Digital Design and Computer Architecture — David Money Harris et Sarah L. Harris

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Questions fréquentes

Q : En quoi l'approche de cet ouvrage diffère-t-elle des manuels classiques d'architecture des ordinateurs comme celui de Tanenbaum ?

R : Là où les manuels classiques comme celui de Tanenbaum adoptent une approche essentiellement descriptive et ascendante — en décrivant les composants physiques couche après couche — cet ouvrage adopte une approche conceptuelle et transversale qui part des notions fondatrices communes au matériel et au logiciel. La notion d'automate à états finis, par exemple, est présentée comme un outil conceptuel universel permettant de modéliser aussi bien un circuit séquentiel qu'un programme informatique. Cette démarche permet au lecteur de comprendre véritablement pourquoi les architectures sont construites comme elles le sont, et non simplement comment elles fonctionnent. C'est cette dimension compréhensive qui fait l'originalité et la valeur durable de cet ouvrage dans le paysage pédagogique francophone.

Q : Quel est le rôle des études de cas dans la pédagogie de cet ouvrage ?

R : Les études de cas occupent une place centrale et constituent, selon les auteurs eux-mêmes, la principale originalité de l'ouvrage par rapport à la littérature existante. Chaque étude de cas est développée pas à pas, en articulant la présentation théorique du concept avec sa mise en œuvre concrète dans un contexte matériel ou logiciel réel. Ces études de cas ne sont pas de simples exemples illustratifs : elles constituent de véritables parcours d'apprentissage guidés qui permettent au lecteur de s'approprier progressivement chaque notion en voyant comment elle s'articule avec les notions déjà acquises. Leur richesse et leur niveau de détail dépassent largement ce que proposent la plupart des manuels universitaires de ce niveau.

Q : Qu'entend-on par approche « soft » et approche « hard » dans cet ouvrage, et pourquoi les auteurs insistent-ils sur leur complémentarité ?

R : L'approche « hard » (matérielle) traite des circuits numériques, des automates câblés, des processeurs et de leur microarchitecture. L'approche « soft » (logicielle) traite des algorithmes, des langages, des compilateurs et des systèmes d'exploitation. La plupart des cursus universitaires traitent ces deux dimensions dans des filières séparées, créant une coupure artificielle qui nuit à la compréhension profonde des systèmes informatiques. Les auteurs de cet ouvrage montrent au contraire que ces deux approches reposent sur les mêmes abstractions fondamentales et que la compréhension de l'une éclaire nécessairement l'autre, en particulier pour concevoir des systèmes embarqués où la frontière entre matériel et logiciel est explicitement gérée par le concepteur.

Q : L'ouvrage aborde-t-il les systèmes d'exploitation et le fonctionnement multitâches ?

R : Oui, la partie consacrée aux architectures des systèmes matériels et logiciels complexes traite explicitement du système d'exploitation et du fonctionnement multitâches. Les auteurs y montrent comment les mécanismes matériels — interruptions, protection mémoire, modes d'exécution — et les mécanismes logiciels — ordonnancement, gestion de la mémoire virtuelle, communication inter-processus — s'articulent pour permettre le fonctionnement d'un système d'exploitation moderne. Cette partie bénéficie directement de l'expertise des auteurs en langages réactifs synchrones et en vérification formelle des systèmes concurrents. C'est l'une des sections les plus originales de l'ouvrage, car peu de manuels d'architecture parviennent à traiter de manière cohérente à la fois le matériel et le système d'exploitation dans un même cadre conceptuel.

Q : Comment les exercices corrigés sont-ils organisés dans cet ouvrage de 587 pages ?

R : Les exercices corrigés sont répartis tout au long de l'ouvrage, en fin de chaque chapitre ou section thématique, plutôt que regroupés en fin d'ouvrage. Cette organisation permet à l'étudiant de vérifier sa compréhension de chaque notion immédiatement après l'avoir étudiée, sans avoir à attendre la fin d'un chapitre complet. Certains exercices constituent des applications directes des algorithmes et des études de cas présentés dans le texte, tandis que d'autres demandent une réflexion plus ouverte sollicitant la capacité de synthèse du lecteur. La correction détaillée fournie pour la majorité des exercices permet une autoévaluation complète et favorise un apprentissage actif et autonome.

Q : Cet ouvrage est-il adapté à la préparation aux concours d'entrée dans les écoles d'ingénieurs informatique ?

R : Oui, cet ouvrage est particulièrement adapté à la préparation aux concours des grandes écoles d'ingénieurs spécialisées en informatique et systèmes numériques. Les notions d'automates à états finis, de langages formels, d'algorithmique matérielle et logicielle, et d'architecture des processeurs figurent en bonne place dans les programmes de ces concours. La richesse des exercices corrigés, couvrant une grande variété de types de questions et de niveaux de difficulté, en fait un outil d'entraînement efficace. Les étudiants de classes préparatoires MP, MP* ou Info souhaitant approfondir leurs connaissances en architecture des systèmes informatiques y trouveront un complément solide à leurs cours de première et deuxième années.

Q : Pourquoi les six auteurs de cet ouvrage ont-ils choisi de formaliser tous les concepts à l'aide d'algorithmes ?

R : Le recours systématique aux algorithmes pour exprimer tous les concepts — y compris ceux qui concernent le matériel — est un choix délibéré qui reflète la conviction des auteurs que l'algorithme est le langage universel de l'informatique, commun au matériel et au logiciel. Exprimer le comportement d'un circuit séquentiel sous forme d'algorithme permet d'en analyser la complexité, d'en vérifier la correction et d'en comparer différentes implémentations possibles avec les mêmes outils conceptuels que pour un programme logiciel. Cette démarche est directement inspirée des travaux de recherche des auteurs en langages synchrones — comme Lustre — dans lesquels le même programme peut être synthétisé en matériel ou exécuté en logiciel. Elle donne à l'ouvrage une cohérence et une profondeur qui en font une référence durable bien au-delà du simple manuel de cours.