Poly - Free

Quelques principes de fonctionnement d’un ordinateur (2h)
1 Fonctionnement d’un ordinateur
1.1 Le processeur, cœur de l’ordinateur
Tous les ordinateurs manipulent des donn´ ees binaires 1cod´ ees sous forme ´ electrique : une tension nulle
correspond ` a une valeur 0, une tension non nulle (5Vpar exemple) ` a un 1.
On sait effectuer des op´ erations sur ces valeurs. Les principales d’entre elles sont :
– op´ erations unaires : le NON (NOT)
– op´ erations binaires : le ET (AND), le OU (OR) et le OU EXCLUSIF (XOR)
`
A partir de op´ erateurs basiques, on peut cr´ eer des op´ erations plus compliqu´ ees (par exemple un addi-
tionneur ` a 2 bits)
`
A partir de l` a, on cr´ ee un processeur, c’est ` a dire un circuit ´ electronique capable de r´ ealiser des op´ erations
fondamentales (Unit´ e Arithm´ etique et Logique) et d’ex´ ecuter des programmes (Unit´ e de Contrˆ ole) s’il est
coupl´ e` a une m´ emoire :
– Op´ erations logiques (NON, ET, OU, . . . ) (UAL)
– Incr´ ementation, addition (UAL)
– Comparaisons (UAL)
– D´ eplacement de valeurs entre diff´ erents emplacements de la m´ emoire (UAL)
– Gestion d’une suite d’instructions avec ex´ ecution puis avancement d’un pas (UC)
– Gestion d’appels et de piles (UC)
– Test logiques et branchements conditionnels (UC)
1.2 Les p´ eriph´ eriques
Deux p´ eriph´ eriques sont essentiels au fonctionnement utile d’un ordinateur : la m´ emoire vive et la
m´ emoire de masse. La m´ emoire vive est rapide et volatile ; elle permet de stocker l’´ etat actuel de la ma-
chine et les donn´ ees sur lesquelles on est en train de travailler. La m´ emoire de masse est plus lente mais non
volatile, et permet de sauvegarder des donn´ ees sur un temps long.
Pour interagir avec l’ext´ erieur, la carte m` ere a besoin d’autres p´ eriph´ eriques. Ce sont des interfaces entre
le processeur et le monde ext´ erieur. Pour permettre le dialogue entre ces entit´ es, on met en place des bus
d´ ecrits par un protocole standard. Un bus contient 3 fonctions principales : une fonction de contrˆ ole pour
synchroniser les ´ echanges ; une fonction d’adressage pour indiquer l’adresse (pixel sur l’´ ecran, fichier sur
un DD, . . . ) qu’on lit ou ´ ecrit ; et une fonction de lecture ou ´ ecriture de donn´ ees.
Les premiers ordinateurs ´ etaient programm´ es par cˆ ablage direct des fils par des op´ erateurs ! Puis on a
progress´ e :
– premier ´ ecran cathodique en 1958 (MIT + IBM : Semi Automatic Ground Environnement de l’US Air
Force)
– utilisation de cartes perfor´ ees pour coder les programmes en 1952 (IBM)
– premier ordinateur produit en grand volume avec un clavier et un ´ ecran de 12 lignes en 1964 (IBM
2260)
– invention de la souris en 1968 par D.Engelbart
– premier ´ ecran tactile lanc´ e par IBM en 1972
– introduction des bandes magn´ etiques en 1973, puis des lecteurs de disquettes, disques durs. . .
1. Hormis les ordinateurs analogiques, tr` es particuliers et non trait´ es ici.
1

L’utilisation de ces p´ eriph´ eriques est int´ egr´ ee au sein d’un logiciel qui assure la coordination des actions :
si on clique ici, c¸a affiche c¸a,. . . En gros, un logiciel comporte deux types de tˆ aches : des algorithmes (tˆ aches
d´ efinies ` a l’avance, comme un calcul) et des interfaces utilisateurs (r´ eactions ` a des actions de l’utilisateur).
L’interaction se faisant ` a travers des p´ eriph´ eriques de plus en plus d´ evelopp´ es et donc compliqu´ es, de
nombreuses tˆ aches fastidieuses et r´ ep´ etitives apparaissent ; on les code alors une fois pour toute sous forme
de librairies. Par exemple, avec l’apparition des ´ ecrans, de nouvelles possibilit´ es sont explor´ ees :
–´ Ecriture de texte
– Trac´ e de formes g´ eom´ etriques (carr´ es, lignes, cercles,. . . )
– Affichage d’images
– Dessins en 3D
– . . .
Une librairie rassemble des capacit´ es qu’on peut utiliser via un petit ensemble de commandes appel´ ees API
(Application Programming Interface). Par exemple une librairie d’´ ecriture de texte ` a l’´ ecran va sp´ ecifier
quelle commande utiliser pour ´ ecrire un texte, quelle commande pour changer la couleur, . . .
Un programme utilise alors uniquement des commandes de librairies pour g´ erer les fonctions complexes
de l’ordinateur. Souvent les librairies utilisent d’autres librairies : on parle alors de couches logicielles
(tableau 1)
Couche logicielle Fonction
Programme R´ ealise les actions sp´ ecifiques ` a l’application
Librairie GTK G` ere les objets graphiques (widgets)
Gestionnaire de fenˆ etres G` ere la position, la taille, la visibilit´ e, . . . des fenˆ etres
Serveur X11 G` ere l’affichage ` a l’´ ecran
Noyau G` ere les fonctions de base
TABLE 1 – Sch´ ema simplifi´ e des couches logicielles d’une application graphique simple sous Linux
Au cours du temps, certaines librairies s’imposent comme des standards ; elle sont alors parfois directe-
ment int´ egr´ ees dans les cartes logiques des ordinateurs. Par exemple, de plus en plus de fonctions graphiques
comme la 3D, l’alpha-blending,. . . sont impl´ ement´ ees dans les cartes graphiques.
2 La programmation d’un ordinateur
Qu’apporte un langage de programmation ?
2.1 La gestion de la m´ emoire
Un processeur ne connaˆ ıt que le langage machine sous forme de codes compliqu´ es. Une programmation
directe en langage machine est possible grˆ ace ` a l’assembleur. Il permet d’´ ecrire les instruction machine
sous une forme ` a peu pr` es compr´ ehensible (pour un angliciste). C’est le plus simple des langages de pro-
grammation, qui g` ere l’organisation de la m´ emoire. On peut lui dire ”r´ eserve moi 2 octets de m´ emoire sous
le nom index”, et il se d´ ebrouillera pour le faire.
La machine manipule des donn´ ees sans rien comprendre ` a ce qu’elle fait. L’assembleur n’en fait pas plus.
Les donn´ ees n’ont pas de type. Par exemple, dans un emplacement de la m´ emoire se trouvera la chaˆ ıne de
donn´ ees 01000101 10001110 ; qu’est-ce que c¸a veut dire ? Il y a plein de fac¸on de lire c¸a, tout d´ epend le
sens qu’on y a mis quand on l’a ´ ecrit.
Un langage de programmation va permettre de g´ erer les types de donn´ ees. Dans un langage typ´ e comme
C, JAVA, . . . , on d´ eclare une variable en indiquant de quel type elle sera ; dans un langage non typ´ e (ou
typ´ e dynamiquement) comme Python, Ruby, Javascript,. . . , la valeur qu’on donne ` a une variable permet de
connaˆ ıtre son type.
Chaque adresse de la m´ emoire peut contenir des informations. Le d´ eclaration de variables permet de
savoir quel type d’information y sera stock´ e. Un langage de programmation doit aussi permettre de lib´ erer
2

la m´ emoire quand on n’en a plus besoin, de changer la taille de m´ emoire utilis´ ee au fur et ` a mesure du
d´ eroulement du programme,. . .
En Assembleur, on peut ´ ecrire n’importe quoi n’importe o` u. C’est tr` es rapide, surtout pour tout faire
planter. Dans un langage comme le C, on r´ eserve de la m´ emoire quand on en a besoin, et on peut la lib´ erer
(via des commandes allo/realloc/malloc/free). En Python, la m´ emoire est r´ eserv´ ee quand on en a besoin,
et un ramasse-miettes (Garbage Collector) se charge de rep´ erer les variables qui ne servent plus et de lib´ erer
la m´ emoire correspondante. C’est pratique pour le programmeur, mais coˆ uteux en performances et am` ene
des probl` emes de pertes de m´ emoires (Memory Leak).
2.2 La gestion des branchements conditionnels et des boucles
La gestion des conditions et des boucles est un des points o` u un langage de programmation am` ene le
plus d’am´ eliorations. Les langages de haut niveau comme Python apportent en plus la notion de boucle sur
un tableau (ou tout autre objet it´ erable) qui facilite l’´ ecriture.
Deux exemples suivent pour montrer ce qu’est une boucle et un test en C et Python, et aussi que c’est
incompr´ ehensible en assembleur.
2.3 Les paradigmes de programmation
Il existe plusieurs fac¸ons d’indiquer ` a un langage de programmation ce qu’on veut faire. La fac¸on la plus
naturelle est le paradigme imp´ eratif, dans lequel on indique des commande ` a la suite les unes des autres.
Il en existe d’autres, Python en impl´ emente beaucoup, en particulier le paradigme objet qui est tr` es
courant. Il s’agit de d´ eclarer des objets avec leurs caract´ eristiques et ce qu’ils savent faire. L’interpr´ eteur
s’occupe alors de faire vivreces objets.
3 Syst` emes de fichiers
3.1 Notions g´ en´ erales sur les fichiers
Les fichiers sont des espaces dans la m´ emoire de masse (disque dur,cl´ e USB,. . . ) contenant un certain
type d’information. Il a un nom qui est le plus souvent termin´ e par une extension indiquant le type de
contenu du fichier.
Il existe deux grandes fac¸ons de stocker du contenu dans un fichier : soit en ´ ecrivant du texte (fichier
texte), soit en ´ ecrivant une suite de valeurs, illisible (fichier binaire).
La partie sur les droits des fichiers est au programme. . . mais sous windows c’est la foire, tout le monde
peut ´ ecrire ` a peu pr` es partout ou presque. Sous Linux c’est plus clair. Paragraphe ` a reprendre je pense.
Les fichiers sp´ eciaux : y en a-t-il d’autres ?
Les syst` emes de fichiers sont des standards indiquant comment les fichiers vont ˆ etre stock´ es sur le disque.
Le principal probl` eme est de g´ erer la modification des fichiers : changement du nom, modification de la
taille, ajout de donn´ ees ` a la fin, . . . . De mani` ere g´ en´ erale, les fichiers sont tous ´ eparpill´ es en plusieurs
morceaux sur le disque. Chaque syst` eme de fichiers a ses avantages et ses inconv´ enients, le but principal
´
etant :
– de garantir une vitesse de lecture/´ ecriture bonne (probl` eme de fragmentation)
– d’ˆ etre robuste : dans certains cas, une erreur de 1bit peut dans certains cas rendre tout le fichier illisible,
tandis que dans d’autres cas on peut s’en sortir.
3.2 Organisation g´ en´ erale des fichiers et r´ epertoires
Les fichiers sont rang´ es dans des boˆ ıtes appel´ ees r´ epertoires (directory en anglais). Un r´ epertoire peut
contenir d’autres r´ epertoires. Le r´ epertoire qui contient tous les autres est la racine. Tout r´ epertoire contient
par d´ efaut deux r´ epertoires : .qui se repr´ esente lui-mˆ eme, et .. qui repr´ esente le r´ epertoire parent (sauf
pour la racine).
3

Un fichier est repr´ esent´ e par son chemin absolu : c’est le chemin qui indique comment aller de la racine
jusqu’au fichier en passant par diff´ erents r´ epertoires. Mais dans de nombreux cas, un fichier a besoin d’en
appeler un autre situ´ e tout pr` es, sans remonter ` a la racine. Le chemin relatif est alors tr` es utile. En particulier,
si (dans l’exemple montr´ e) on d´ eplace rep1 ` a un autre emplacement, le chemin absolu change, mais le
chemin relatif reste.
Les diff´ erents disques peuvent correspondre ` a diverses racines : c’est le choix du syst` eme Windows. Les
autres syst` emes de type Unix choisissent un disque comme racine, et les autres disques sont mont´ es comme
des r´ epertoires.
Attention ` a la convention typographique : les r´ epertoires sont toujours s´ epar´ es par des slash / (sous Unix,
ou dans les URL des navigateurs internet) sauf sous Windows o` u c’est un backslash \.
FTP : que faut-il en dire ?
3.3 Encodage des fichiers
Rien ` a ajouter, c¸a parle tout seul. On rencontrera surtout ces probl` emes avec les lectures/´ ecritures de
fichiers (pour les BDD ` a la fin de l’ann´ ee, un peu aussi pour la sauvegarde de tableaux Numpy).
4