Introduction à l'informatique

ArchitectureLicence 1 - Octobre 2007

L1 – Introduction à l'informatique2007 2/57

But de ce cours

Pas faire de vous des experts en informatique

Plutôt vous donner une culture généraleet des outils pour votre futur métier !

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Introduction

L'informatique est présente partout :- études (support d'apprentissage)- maison (communication, bureautique)- faits de société (brevets, Microsoft,…)

Le public se fait souvent une fausse idée :ordinateur = engin intelligent…

C'est FAUX !

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Objectifs Vous expliquer les notions fondamentales Vous en faire percevoir les différentes

facettes de façon (relativement ...) simple Vous montrer qu'il n'y a pas de magie Démonter tous les mécanismes

intervenants

Si vous ne comprenez pas quelque chose...

INTERVENEZ !

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Généralités

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Codage de l'information

Cailloux (calcul), bâtons, doigts

Systèmes de numérations égyptiens, sumériens, romains

numérotation décimale2003 = 2*1000 + 0*100 + 0*10 + 3

numérotation en base bn =(ckck-1 … c1c0)b= ck*bk + ck-1*bk-1 + ... + c1*b1 + c0*b0

Exemple : MCXV

(11111010011)2 = 210+29+28+27+26+0+24+0+0+21+20(= (2003)10)

Codex de Dresde

(base 10)

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Codage de l'information

numérotation en base 2 : binaire exemples : 0 1 2(base 10) 19 2003

(base 2) 0 1 10 10011 11111010011

arithmétique en base 2

1101101111011011

11011011+ 1011

11111011011* 101

10001000111

addition :

multiplication :

1

11100110

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Codage de l'information

• bit : binary digit = chiffre binaire ( 1 dispositif physique pour matérialiser 1 bit )

8 bits (1 octet) 28 = 25632 bits (4 octets) 232 = 4 294 967 296

• pour représenter un entier en binaire, il faut plusieurs bits

• Avec n bits, on représente au plus 2n entiers différents

• dépassement de capacité (overflow)+ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 00 0 0 01

4 bits 24 = 16

Ex : 7dec

= 111 (3 bits) , 8dec = 1000 (4 bits), 15

dec = 1111 (4bits)

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Codage de l'information

• Complément à 2: plus complexe

• bit de signe (simple)1 0 1 0 1 1 0 0 - 44

4832+ + = 44Signe -

44 = 00101100

- 44 = 10101100

11011000 ≠ 0

Problème

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Codage de l'information

• Caractères :

• chaînes de caractères (exemple) :

numérotation des caractèrescode ASCII (sur 1 octet)

...

65

66

67

68

…

97

98

…

A

B

C

D

…

a

b

1 octet

s a l u t f o u l e

espace (32)fin de chaîne (0)

chaîne avec 11 caractères (+ 1 pour indiquer la fin)

1000001

1000010

1100001

1100010

• Années 90 : autres codages sur 16 ou 32 bits

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Codage de l'information• Images

- plusieurs formats standards

- exemple : bitmap en noir et blanc

- couleur : 3 octets par pixels (R,V,B)

9 17 153bits

en-tête données de l ’image(2*2 octets) pixel : 0 = noir, 1 = blanc

- pixel = picture element

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Codage de l'information

•Images- image couleur : codage d'un pixel sur n bits

• Vidéos- la plus simple est une suite d’images- plusieurs formats standards

- image "3D" : tableaux de mots de n bits

avec 24 bits par pixel : palette de 16,7 m. de couleurs

souvent 25 images/seconde

• Son

• Hypermédia - adresses et méthodes de navigation ...

- analogique digital (discrétisation)

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Codage de l'information

bit de parité :

tableau de bits de parité

1 0 1 0 1 1 0 0

ajouter un bit de contrôle tous les x bits

exemple : parité paire sur 7 bits

1 0 1 0 1 1 0 01 1 0 0 0 1 0 10 0 1 0 0 0 1 01 1 1 0 1 1 0 11 0 1 0 0 1 1 0

1 0 1 0 1 0 0 0

okpb

pendant sa transmission, une suite de bits peut être altéréenécessité d'utiliser des codes pour détecter, voire

corriger les erreurs

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Codage de l'information

Objectif de la compression : diminuer le nombre de bits utilisés pour le stockage et la transmission de l'information

taux de compression

Facteurs de compression

qualité de la compression temps de compression

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Codage de l'information

codage de redondances :

compression destructive

compression sans perte :

jpeg : images fixes

aaaaaaaaaaaaaaabbaaabbbbbbbbbbbbbdonne 15a2b3a13b

mp3 : fichiers son

mpeg : séquences d'images

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Calculer : combinatoireet : opération notée .

.

0

1

0 1

0

0

0

1

ou : opération notée ++

0

1

0 1

0

1

1

1

non : opération notée

0 = 1

1 = 0

On sait réaliser ces opérations électroniquement

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Calculer

a1 a0 b1 b0 c1 c0o

C'est un circuit combinatoire

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Architecture

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Définition

Machine électronique de traitement de l'information capable d'exécuter un ensemble d'instructions (programme) préalablement enregistré dans sa mémoire.

Anglais : computer

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Pour quoi faire ?

Taper un rapport Éditer ses photos de vacances Calculer sa moyenne, sa feuille

d'impôt Jouer Naviguer sur Internet …

Utiliser des LOGICIELS qui serventUtiliser des LOGICIELS qui serventà créer, à transformer et à éditer desà créer, à transformer et à éditer desdonnées ...données ...

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Principe de base

Organe de sortie

Unité centrale

Mémoire

Unité de traitement

Interface d'entrées/sorties

d’entréeOrgane

DonnéesProgrammes

Résultats

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Différents ordinateurs

PC (Personal Computer) Macintosh Mainframe (Gros systèmes) etc.

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Architecture modulaire

Carte mère Processeur Mémoire vive Disque dur Ecran Périphériques Lecteurs

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Sous le capot…

Jetons un coup d'œil a l'intérieur ...

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Vue d'ensemble

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Le matériel……plus en détails

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Carte mère

L’interface : le BIOS Support CPU et “Chipset” Les “slots” :AGP, PCI (-express),

ISA La pile (batterie) Le BUS

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La carte mère

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Processeur(s) Caractéristiques

Architecture : RISC (Sparc), CISC (Intel), ... Un ou plusieurs processeurs, multi-coeurs

(core) Fréquence et vitesse d’horloge La mémoire interne : le cache

Performances Consommation Exemples : Intel P4, Motorola PowerPC,

SUN UltraSPARC III

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Architecture classique d’un processeur

Cycle classique

1- lire une instruction (à l’adresse indiquée)

2- décoder l’instructioncalculer (éventuellement) les adresses des opérandes et les lire

3- exécuter l’instruction

4- écrire (éventuellement) le résultat en mémoire

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Architecture classique d’un processeur

Schéma classique simplifié

mém

oire données

contrôle

registresdonnées

registreinstruction décodeur

adresses

UAL

données

contrôle

adresses

registreinstruction décodeur

registresdonnées

UAL

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Architecture classique d’un processeur

Idée : tirer parti de l'indépendance de certaines unités fonctionnelles

décodage lect. op. calcul écriturelect. instrlect. instr décodage lect. op. calcul écriture

lect. instr décodage lect. op. calcul écriture

décodage lect. op. calcul écriturelect. instr

décodage lect. op. calcul écriturelect. instr

décodage lect. op. calcullect. instr

Si tout se passe bien : on traite 5 fois plus d'instructions en moyenne

Pipeline profond (20 niveaux)

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Le processeur

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Le BUS

Gère les communications entre les différentes unités fonctionnelles :

processeur, mémoire, contrôleur de disques, carte graphique, etc.

Sa vitesse est prépondérante !

L1 – Introduction à l'informatique2007 35/57

Structure d'un ordinateur

bus des données

RAM ROME/S

écranclavierdisques

bus de contrôle

processeur

bus des adresses

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Communiquer

bus interne au processeur

bus pour le cache

communication entre les unités fonctionnelles

fils + circuits pour la synchronisation

vitesse de communication : fréquence du processeur

communication entre un cache externe et le processeur

vitesse de communication : proche de celle du processeur

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La mémoire

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Mémoriser

Critères d'évaluation des mémoires• Temps d'accès• Capacité• Coût par bit

Plusieurs niveaux

Registres

Mémoire cache

Mémoire centrale

Mémoire de masse

Vitesse

_

+ _

+

Capacité

Coût

Proximité du processeur

Différentes technologies

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Mémoriser

Registres • Conservation des informations proche de l’UAL

• Stockage des opérandes et des résultats intermédiaires

Mémoire cache

Mémoire vive (RAM – Random Access Memory)Mémoire morte (ROM – Read Only Memory)Disques dursDisquettes, CD-ROMBandes magnétiques CD-ROM spéciaux

Mémoire centrale

• Tampon entre l'unité centrale et la mémoire centrale

• Accélération des accès

Organe principal de rangement des informations

utilisées par l'unité centrale (instructions et données)

Mémoire de masse

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Mémoriser

La mémoire doit conserver la trace du passage du courant

Mémoire = ensemble de composants électroniques capables de mémoriser chacun un bit

Il existe plusieurs technologies permettant de conserver la trace du courant, correspondant à plusieurs types de mémoire.

- mémoires mortes

- mémoires statiques- mémoires dynamiques

- mémoires de masse : magnétiques ou optiques

RAM : infos perdues hors alimentation électrique

}

} ROM : infos conservées même hors alimentation électrique

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Mémoriser mémoires statiques

Circuits séquentiels - l’état d’un circuit séquentiel dépend de ses entrées,

ainsi que de l’état précédent- circuit séquentiel de base : bascule

Bascule à deux états stables (0 ou 1) Permet de mémoriser un bitBascule asynchrone

- prend en compte la valeur de ses entrées à tout momentBascule synchrone

- asservie à une horloge- les modifications des signaux d'entrée entre deux

tops d'horloge sont sans incidence sur la valeur de sortie

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Mémoriser mémoires dynamiques

les mémoires statiques (SRAM – Static RAM) sont rapides... ... mais chères ...

les mémoires dynamiques (DRAM – Dynamic RAM)- un seul transistor couplé à un condensateur pour stocker un bit (≠ 6 transistors par bit en SRAM)

le condensateur se décharge progressivement entrainant la perte de l'information

le circuit doit être rafraîchi périodiquement (plusieurs milliers de fois par seconde)

pour chaque bit : lire sa valeur et la réécrire immédiatement

L1 – Introduction à l'informatique2007 43/57

Mémoriser mémoires statiques / dynamiques

SRAM- plus rapide- plus coûteuse- taille plus importante

DRAM- circuit de rafraîchissement → plus lente- fabrication plus simple → moins coûteuse- densité d'intégration plus grande (facteur 4)

Utilisée pour les caches

Utilisée pour la mémoire centrale

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La mémoire vive

L1 – Introduction à l'informatique2007 45/57

Mémoriser mémoires de masse

Besoin de mémoire de masse

- mémoires magnétiques

- mémoires optiques CD-rom, DVD-rom

- dotée (très) grande capacité - pour le stockage permanent de l'information en l'absence de courant

(quelques années)

Deux types de mémoire de masse

disques durs, disquettesbandes magnétiques{

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Le disque dur

L1 – Introduction à l'informatique2007 47/57

De plus près…supports magnétiques/disques durs

cheveu

trace de doigtfumée

L1 – Introduction à l'informatique2007 48/57

Mémoriser supports optiques : disques optiques

cuvette dans la pellicule réfléchissante

trou dans la pellicule réfléchissante

indice de réfraction du substrat transparent

Principe : rayon laser envoyé sur une surface

réfléchissante. On observe (ou non) un rayon

réfléchi.

– modifiable 1 fois (Recordable)– effaçable (Rewritable)

L1 – Introduction à l'informatique2007 49/57

Mémoriser hiérarchie mémoire : caractéristiques

Taille Temps d’accès (ns)

Débit (Mo/sec) Technologie

Registres < 1 Ko 0,25 – 0,5 20 000 – 100 000 Mémoire

spécialisée

Cache < 16Mo 0,5 - 25 5 000 - 10 000 SRAM

Mémoire principale

< 16 Go 80 - 250 1000 - 5000 DRAM

Mémoire de masse

> 100 Go 5 000 000 20 - 150 Support

magnétique

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Les cartes additionnelles

Sur les slots de la carte mère Quelques cartes fréquentes :

Réseau Vidéo Son SCSI / RAID TV

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La carte vidéo

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Périphériques entrées/sorties

Par définition, un périphérique n'est pas indispensable au démarrage :Clavier / SourisEcranScanner, imprimanteWebcamModem

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Ports additionnels

Permettent de brancher les périphériques

Parallèle Série USB PS/2 Firewire ...

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Lecteurs

CDROM / DVDROM (et graveurs ...) Disquette Bandes magnétiques

(sauvegardes) Lecteurs de cartes mémoires

L1 – Introduction à l'informatique2007 55/57

Le lecteur/graveur DVD

L1 – Introduction à l'informatique2007 56/57

Ecran

Taille de la diagonale Résolution (nombre de points) Fréquence de rafraîchissement CRT (tube) vs TFT (plat) TFT : Luminosité, angle de vue, ...

L1 – Introduction à l'informatique2007 57/57

A suivre : le système...