ORDINATEUR ? Koi ki di lui…

Introduction à l'informatique
Architecture
Licence 1
2010-2011
But de ce cours
Pas faire de vous des
experts en informatique
Plutôt vous donner une culture générale
et des outils pour votre futur métier !
L1 – Introduction à l'informatique
2010-2011
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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 !
L1 – Introduction à l'informatique
2010-2011
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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
L1 – Introduction à l'informatique
2010-2011
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Codage de l'information
Cailloux (calcul), bâtons, doigts
Systèmes de numérations
 égyptiens,
sumériens, romains
Exemple : MCXV
 numérotation décimale (base 10)
2003 = 2*1000 + 0*100 + 0*10 + 3
 numérotation
en base b
Codex de Dresde
n =(ckck-1 … c1c0)b= ck*bk + ck-1*bk-1 + ... + c1*b1 + c0*b0
(11111010011)2 = 210+29+28+27+26+0+24+0+0+21+20(= (2003)10)
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Codage de l'information
 numérotation
en base 2
exemples : (base 10)
(base 2)
 arithmétique
0
1
2
19
2003
0
1
10
10011
11111010011
en base 2
addition :
multiplication :
11
11
11011011
+
1011
11100110
11011011
*
101
11011011
11011011
10001000111
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Codage de l'information
• bit : binary digit = chiffre binaire
(⇒ 1 dispositif physique pour matérialiser 1 bit )
• pour représenter un entier en binaire, il faut plusieurs bits
Ex : 7dec = 111 (3 bits) , 8dec = 1000 (4 bits),15dec = 1111 (4bits)
• Avec n bits, on représente au plus 2n entiers différents
4 bits → 24 = 16
8 bits (1 octet) → 28 = 256
32 bits (4 octets) → 232 =
4 294 967 296
• dépassement de capacité (overflow)
1 11 11 1 11 +1→
1 0 0 0 00 0 0 0
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Codage de l'information
• bit de signe (simple)
Problème
- 44
10101100
44 = 00101100
- 44 = 10101100
Signe32 + 8+4 =
-
44
11011000
• Complément à 2: plus complexe
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≠0
Codage de l'information
• Caractères : numérotation des caractères
code ASCII (sur 1 octet)
• chaînes de caractères (exemple) :
s al u t
f ou l e◊
1 octet
espace (32)
fin de chaîne (0)
...
…
65
A
1000001
66
B
1000010
67
C
68
D
…
…
97
a
1100001
98
b
1100010
chaîne avec 11 caractères (+ 1 pour indiquer la fin)
• Années 90 : autres codages sur 16 ou 32 bits
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Codage de l'information
•
- plusieurs formats standards
Images - pixel = picture element
- exemple :
bitmap en noir et blanc
9 17
en-tête
153bits
données de l ’image
(2*2 octets) pixel : 0 = noir, 1 = blanc
- couleur : 3 octets par pixels (R,V,B)
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Codage de l'information
•Images
- image couleur : codage d'un pixel sur n bits
 avec 24 bits par pixel : palette de 16,7 m. de couleurs
- image "3D" : tableaux de mots de n bits
• Vidéos
- plusieurs formats standards
- la plus simple est une suite d’images
souvent 25 images/seconde
• Son
- analogique → digital (discrétisation)
• Hypermédia - adresses et méthodes de navigation ...
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Codage de l'information
pendant sa transmission, une suite de bits peut être altérée
nécessité d'utiliser des codes pour détecter, voire
corriger les erreurs
bit de parité :ajouter un bit de contrôle tous les x bits
exemple : parité paire sur 7 bits 1 0 1 0 1 1 0 0 ok
1 0 1 0 1 0 0 0 pb
tableau de bits de parité
1 01 01 1 00
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
00
00
01
00
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1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
0
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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
Facteurs de compression
 taux de compression
 qualité de la compression
 temps de compression
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Codage de l'information
 compression sans perte :
codage de redondances :
aaaaaaaaaaaaaaabbaaabbbbbbbbbbbbb
donne 15a2b3a13b
 compression destructive
jpeg : images fixes
mpeg : séquences d'images
mp3 : fichiers son
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Calculer
et : opération notée . ou : opération notée +non : opération notée
.
0
1
+
0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0=1
1=0
On sait réaliser ces opérations électroniquement
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Calculer
a1 a0 b1 b0
o
C'est un circuit combinatoire
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c1 c0
Architecture
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Architecture modulaire







Carte mère
Processeur
Mémoire vive
Disque dur
Ecran
Périphériques
Lecteurs
L1 – Introduction à l'informatique
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Différents ordinateurs




PC (Personal Computer)
Macintosh
Mainframe (Gros systèmes)
etc.
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20/57
Sous le capot…
Jetons un coup d'œil a l'intérieur ...
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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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Principe de base
Unité centrale
Mémoire
Organe
d’entrée
Unité de traitement
Organe
de sortie
Interface d'entrées/sorties
Données
Programmes
Résultats
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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 servent
à créer, à transformer et à éditer des
données ...
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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)

Et surtout, 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’instruction
calculer (éventuellement) les adresses
des opérandes et les lire
3- exécuter l’instruction
4- écrire (éventuellement) le résultat en mémoire
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30/57
Architecture classique d’un
processeur
Schéma classique simplifié
adresses
adresses
mémoire
UAL
registres
registres
données
données
données
contrôle
registre
registre
instruction
instruction
décodeur
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Architecture classique d’un
processeur
Idée : tirer parti de l'indépendance de certaines unités fonctionnelles
lect. instr décodage lect. op.
calcul
lect. instr décodage lect. op.
écriture
calcul
lect. instr décodage lect. op.
écriture
calcul
lect. instr décodage lect. op.
écriture
calcul
écriture
lect. instr décodage lect. op. calcul
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 !
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Structure d'un ordinateur
bus des données
processeur
RAM
ROM
E/S
écran
clavier
disques
bus des adresses
bus de contrôle
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Communiquer
bus interne au processeur
communication entre les unités fonctionnelles
fils + circuits pour la synchronisation
vitesse de communication : fréquence du processeur
bus pour le cache
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
 Différentes technologies
_
+
Registres
Vitesse
Capacité
Mémoire cache
Coût
Proximité du
processeur
_
Mémoire centrale
Mémoire de masse
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+
Mémoriser
Registres
• Conservation des informations proche de l’UAL
• Stockage des opérandes et des résultats intermédiaires
Mémoire cache • Tampon entre l'unité centrale et la mémoire centrale
• Accélération des accès
Mémoire centrale Organe principal de rangement des informations
utilisées par l'unité centrale (instructions et données)
Mémoire de
Mémoire vive (RAM – Random Access Memory)
Mémoire morte (ROM – Read Only Memory)
masse Disques durs
Disquettes, CD-ROM
Bandes magnétiques
CD-ROM spéciaux
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Mémoriser
Mémoire = ensemble de composants électroniques
capables de mémoriser chacun un bit

La mémoire doit conserver la trace du passage du courant
Il existe plusieurs technologies permettant de conserver la trace du
courant, correspondant à plusieurs types de mémoire.
- mémoires mortes
}
- mémoires statiques
- mémoires dynamiques
}
ROM : infos conservées
même hors alimentation
électrique
RAM : infos perdues hors
alimentation électrique
- mémoires de masse : magnétiques ou optiques
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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 bit
Bascule asynchrone
- prend en compte la valeur de ses entrées à tout
moment
Bascule 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
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Mémoriser
mémoires statiques / dynamiques
SRAM
Utilisée pour les
caches
- 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)
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Utilisée pour la
mémoire centrale
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La mémoire vive
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Mémoriser
mémoires de masse
Besoin de mémoire de masse
- dotée (très) grande capacité
- pour le stockage permanent de l'information en l'absence de courant
(quelques années)
Deux types de mémoire de masse
- mémoires magnétiques
{
disques durs, disquettes
bandes magnétiques
- mémoires optiques CD-rom, DVD-rom
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Le disque dur
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De plus près…
supports magnétiques/disques durs
fumée
trace de doigt
cheveu
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Mémoriser
supports optiques : disques optiques
Principe : rayon laser envoyé sur une surface
réfléchissante. On observe (ou non) un rayon
réfléchi.
cuvette dans la pellicule réfléchissante
trou dans la pellicule réfléchissante
indice de réfraction du substrat transparent
– modifiable 1 fois (Recordable)
– effaçable (Rewritable)
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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
< 16 Go
80 - 250
1000 - 5000
DRAM
> 100 Go
5 000 000
20 - 150
Support
magnétique
Mémoire
principale
Mémoire
de masse
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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 / Souris
Ecran
Scanner, imprimante
Webcam
Modem
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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
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Le lecteur/graveur DVD
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Ecran





Taille de la diagonale
Résolution (nombre de points)
Fréquence de rafraîchissement
CRT (tube) vs TFT (plat)
TFT : Luminosité, angle de vue, ...
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A suivre : le système...
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