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 2/57 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 3/57 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 ! L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 4/57 Généralités L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 5/57 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) L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 6/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 7/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 8/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 9/57 ≠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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 10/57 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) L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 11/57 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 ... L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 12/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 13/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 14/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 15/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 16/57 Calculer a1 a0 b1 b0 o C'est un circuit combinatoire L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 17/57 c1 c0 Architecture L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 18/57 Architecture modulaire Carte mère Processeur Mémoire vive Disque dur Ecran Périphériques Lecteurs L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 19/57 Différents ordinateurs PC (Personal Computer) Macintosh Mainframe (Gros systèmes) etc. L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 20/57 Sous le capot… Jetons un coup d'œil a l'intérieur ... L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 21/57 Définition Machine électronique de traitement de l'information capable d'exécuter un ensemble d'instructions (programme) préalablement enregistré dans sa mémoire. Anglais : computer L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 22/57 Principe de base Unité centrale Mémoire Organe d’entrée Unité de traitement Organe de sortie Interface d'entrées/sorties Données Programmes Résultats L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 23/57 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 ... L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 24/57 Vue d'ensemble L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 25/57 Le matériel… …plus en détails L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 26/57 Carte mère L’interface : le BIOS Support CPU et “Chipset” Les “slots” :AGP, PCI (-express), ISA La pile (batterie) Et surtout, le BUS… L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 27/57 La carte mère L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 28/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 29/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 31/57 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) L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 32/57 Le processeur L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 33/57 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'informatique 2010-2011 34/57 Structure d'un ordinateur bus des données processeur RAM ROM E/S écran clavier disques bus des adresses bus de contrôle L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 35/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 36/57 La mémoire L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 37/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 38/57 + 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 39/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 40/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 41/57 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'informatique 2010-2011 42/57 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) L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 Utilisée pour la mémoire centrale 43/57 La mémoire vive L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 44/57 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 L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 45/57 Le disque dur L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 46/57 De plus près… supports magnétiques/disques durs fumée trace de doigt cheveu L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 47/57 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) L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 48/57 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 < 16 Go 80 - 250 1000 - 5000 DRAM > 100 Go 5 000 000 20 - 150 Support magnétique Mémoire principale Mémoire de masse L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 49/57 Les cartes additionnelles Sur les slots de la carte mère Quelques cartes fréquentes : Réseau Vidéo Son SCSI / RAID TV L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 50/57 La carte vidéo L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 51/57 Périphériques entrées/sorties Par définition, un périphérique n'est pas indispensable au démarrage : Clavier / Souris Ecran Scanner, imprimante Webcam Modem L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 52/57 Ports additionnels Permettent de brancher les périphériques Parallèle Série USB PS/2 Firewire ... L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 53/57 Lecteurs CDROM / DVDROM (et graveurs ...) Disquette Bandes magnétiques (sauvegardes) Lecteurs de cartes mémoires L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 54/57 Le lecteur/graveur DVD L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 55/57 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'informatique 2010-2011 56/57 A suivre : le système... L1 – Introduction à l'informatique 2010-2011 57/57