Initiation aux technologies de l`information

Initiation aux technologies
de l’information
Frédéric Gava (MCF)
[email protected]
LACL, bâtiment P2 du CMC, bureau 221
Université de Paris XII Val-de-Marne
61 avenue du Général de Gaulle
94010 Créteil cedex
Architecture
d’un ordinateur
Principaux composants
d’un ordinateur
Éléments d’un ordinateur
Un ordinateur personnel (PC) est composé :
d’une unité centrale
de périphériques d’entrée/sortie (E/S)
L’unité centrale peut elle-même être décomposée
Unité centrale de traitement
Périphériques d’E/S
Les périphériques ne sont pas « obligatoires »
4/72
Éléments
Unité centrale
Périphériques
5/72
Périphériques
Les principaux périphériques sont l'écran, le
clavier, la souris, le disque dur, le lecteur de
disquettes, le lecteur de CD-ROM, l'imprimante, le
modem et le scanner. Le microprocesseur
communique avec les périphériques à travers des
zones particulières de la mémoire vive.
Les périphériques les plus importants sont les
supports magnétiques (disques durs, disquettes).
Ils sont nécessaires afin de stocker les les données et
les programmes. On parle de mémoire de masse, de
mémoire secondaire ou auxiliaire ou persistente, à
ne pas confondre avec la mémoire centrale.
6/72
Périphériques d’entrées
Clavier
Souris
Microphone
Scanner
Stylo optique
Joystick
Web-Cam
etc.
7/72
Exemple, le clavier
Echap, ou ESC (Escape) : utilisée pour sortir d'un menu, notamment
sous DOS
Tab, ou tabulation : utilisée pour passer à la zone de saisie suivante
(Maj + Tab pour passer à la zone de saisie précédente) ; utilisée aussi
pour insérer une tabulation dans les logiciels de traitement de texte
Maj, ou Majuscule, ou shift : c'est une touche de modification, c-à-d
qu'elle n'a d'effet qu'utilisée en même temps qu'une touche normale ;
elle permet d'obtenir une lettre majuscule ou bien, pour les touches
ayant 2 ou 3 symboles, le symbole du haut
8/72
Le clavier (2)
Verrouillage majuscule, ou Caps Lock : située entre Tab et Maj,
c'est une touche à deux positions ; quand elle est verrouillée, un
voyant s'allume à droite du clavier et toutes les lettres sont en
majuscule
ctrl, ou contrôle : touche de modification qui permet notamment
d'effectuer des raccourcis claviers dans l'environnement Windows
alt, ou alternative : touche de modification utilisée pour des fins
diverses par les logiciels
alt gr, ou alternative graphique : touche de modification qui permet
d'accéder au symbole de droite des touches ayant trois symboles ;
permet notamment de produire le caractère \ très utilisé avec DOS
flèches gauche, droite, haut et bas : permet de se déplacer dans des
programmes d'application (Word, Excel...)
entrée, validation, ou return : permet de valider une saisie ; sous DOS
permet d'envoyer la commande, sur Word permet de passer au
paragraphe suivant, sur les fenêtres de choix de Windows permet de
choisir l'option par défaut, etc.
9/72
Le clavier (3)
suppr : permet de supprimer le caractère à droite du curseur
retour arrière, ou delete: permet de supprimer le caractère à gauche
du curseur
ins, ou insère: touche à deux positions ; en position normale, la saisie
remplace les caractères à droite du curseur ; en position insertion, ces
mêmes caractères sont décalés vers la droite
pavé numérique : ensemble de touches situées à droite du clavier ;
permet de saisir aisément des chiffres ; la touche Entr a la même
fonction que la touche Entrée ; attention, la touche Verr num doit
être verrouillée (voyant Num allumé) sinon ce sont les flèches qui sont
prises en compte
10/72
Le clavier (4)
Comment utiliser correctement les touches de
modification Maj, Ctrl et Alt :
presser la touche de modification, puis presser la touche
normale, relâcher la touche normale et enfin relâcher la
touche de modification.
Quelques caractères techniques utiles à connaître :
/
\
@
barre oblique (slash, pour les url, voir cours internet)
barre inversée (anti-slash), très utilisée sous DOS
arobase (pour les adresses de courrier électronique)
11/72
Périphériques de sorties
Écran (moniteur)
Imprimante
Haut-Parleurs (Enceintes)
Bras-articulé
etc.
12/72
Un moniteur
PECA
TFT - 24” - 1920 x 1200 `a 75 Hz ? ? ?
Caractéristiques d’un écran :
Dimension : en pouces (”) de la diagonale
Un pouce = 25,4mm → 24”= 60cm
Résolution : nombre de pixels (par ligne et par colonne)
Vitesse de rafraîchissement en Hz (nombre d’images par
seconde)
13/72
Périphériques d’E/S
Lecteur de disquettes, ZIP
Lecteur/Graveur de CD/DVD-Rom
Écran tactile
Disque dur
Clés USB
Carte réseau/Modem
etc.
14/72
Disque Dur (1)
Disque dur : surface magnétique en rotation
stockant des octets sur des pistes concentriques.
rotation
vitesse constante
en tours/minute)
déplacement
têtes de lecture/écriture
Chaque piste a la même capacité. Une piste est
divisée en secteurs, le secteur étant la plus petite
zone de mémoire adressable.
15/72
Disque Dur (2)
Un disque dur peut être interne (placé dans l'unité centrale) ou
externe (boîtier supplémentaire). Il est livré formaté (les secteurs sont
initialisés à zéro) ou contient généralement déjà le système
d'exploitation. Un disque dur peut être reformatté, et à cette occasion
peut être partitionné en plusieurs disques logiques pour simuler le fait
d’avoir plusieurs disques mais en fait il n’en existe qu’un
physiquement (les fameux E:, F: etc. alors qu’on n’a qu’un disque).
Un disque dur n'est pas éternel : des secteurs peuvent s'abîmer, ce qui
entraîne des pertes de données (il faut sauvegarder régulièrement ses
données importantes, et avoir les CD-ROMs pour réinstaller les
logiciels dont le système d'exploitation).
16/72
Disque Dur (3)
PECA
17/72
Technologie DVD
DVD= Digital Versatile Disk
Technologie similaire au CD (cédérom)
Plus grande capacité de stockage :
Une ou deux couches
Une ou deux faces
Capicité, mn musique, Nb CD
18/72
Modem et Internet
PECA
19/72
Composants de l’unité
centrale
L’unité centrale est munie d’une carte principale
appelé « carte mère ». Elle abrite :
Le (micro) processeur
Les mémoires vives/mortes/caches
ports d’entrée/sorties (PCI, PCMCIA, USB etc.)
Ventilateur et alimentation électrique
Boîtier
Câbles pour tout inter-relier (bus)
20/72
Définitions
Un micro-ordinateur est un ordinateur dont les
composants sont miniaturisés et dont le coût est abordable
par un particulier. Il est composé d'une unité centrale et de
périphériques. Ex : PC (Personal Computer), Macintoch.
L'unité centrale, composée principalement d'un microprocesseur et de mémoire centrale (électronique), traite
l'information tandis que les périphériques l'envoient ou la
reçoivent.
Un microprocesseur est un circuit
électronique
miniaturisé contenant plusieurs millions de transistors (ex :
le Pentium). C'est le chef d'orchestre qui traite et distribue
les informations. Il exécute les instructions élémentaires au
rythme de son horloge interne (ex : 300 Mhz ou mégahertz
=> 300 millions d'instructions par seconde).
21/72
L’intérieur d’un PC
Pour le bricolage maison
23/72
Carte mère (1)
24/72
Carte mère (2)
PECA
25/72
Carte mère (2 bis)
PECA
26/72
Carte mère (3)
La carte mère est donc composée de connecteurs
permettant :
d’ajouter des cartes (vidéo, son, réseau, etc.)
brancher les périphériques (Disques via des Nattes ou
bus, le haut-parleur interne par un fil électrique simple)
27/72
Carte mère (4)
Le processeur constitue le « chef d’orchestre » de
l’ordinateur. Il est constitué de plusieurs millions (milliards)
de transistors. Il reçoit les informations (entrées), les traites
avec sa mémoire, puis restitue des résultats (sorties).
Le « chipset » aide le processeur à la gestion de la carte
mère notamment avec le BIOS
le BIOS (dans la mémoire morte) constituent les données
de base pour la gestion, par le processeur, de l’ordinateur :
quels sont les disques durs et comment les utiliser
quelle est l’heure et la date
comment gérer l’énergie
etc.
28/72
Carte mère (5)
UC=Unité centrale=processeur
29/72
Le processeur (1)
UAL accompli les calculs arithmétiques et logiques
UC gère les accès aux mémoires et aux registres
Les registres (limité en nombre) sauvegardent les
valeurs immédiates et intermédiaires des calculs
Il est capable d’exécuter des instructions pour
accomplir les calculs
30/72
Le processeur (2)
Les principaux paramètres d’un processeur sont :
Fréquence d’horloge (en hertz, ou plutôt en GigaHz)
La taille des nombres qu’il peut traiter (= taille des
registres) en une instruction (en bits)
Nombre de registre et taille de sa mémoire cache
La vitesse d’exécution d’un processeur est en Flops
31/72
Les bus (1)
Ce sont les canaux de communication à l’intérieur de
l’ordinateur
Relient l’unité centrale, la mémoire, les contrôleurs de
périphériques
Débit d’un bus :
Largeur = nombre de bits que le bus peut transmettre `a la
fois
Fréquence = vitesse du bus = nombre de paquets envoyés
par seconde (en Hertz)
Débit = largeur × fréquence
Exemple : Un bus de largeur 16 bits et cadencé `a une
fréquence de 133MHz a un débit de : 16 × 133000000 =
2128000000 bits/s = 266000000 o/s ≃ 260Ko/s ≃ 254Mo/s
32/72
Les bus (2)
Principes : mutualiser les communications
Toutes les informations passent par le même canal
Trois types de bus :
adresses
données
contrôles
33/72
Et l’horloge
Le processeur est cadencée par l’horloge de la carte
mère (mesuré en Hertz)
Elle envoie des impulsions régulières pour
déclencher le début des cycles
Mais la fréquence ne suffit pas ; Il faut aussi
s’intéresser à la quantité de chose que le processeur
peut faire par cycle .…(mesuré en bits et Flops)
34/72
Les registres
PECA
Cases mémoires du processeur, de 8 à 64 bits
En petite quantité (d’une dizaine à quelques
centaines)
Accès très rapide
Servent à :
stocker temporairement les résultats de calculs
stocker l’instruction en cours
stocker l’adresse de la prochaine instruction
35/72
Les mémoires (1)
L’ordinateur comprends 3 catégories de mémoires
mémoire vive/interne (RAM=Random Access Memory)
mémoire morte (ROM=Read Only Memory)
mémoires caches
mémoire persistante (mémoire externe)
L’unité de mesure de la mémoire est sa taille
donnée en octets
36/72
Les mémoires (2)
La RAM conserve les informations traités par le
processeurs pendant une session de travail. Cette mémoire
est donc volatile (informations « effacées » quand on éteint
la machine).
Les mémoires caches (aussi volatile) est constitué de
plusieurs niveaux de mémoire, de plus faible capacité, qui
font office de tampons entre le processeur et la RAM
La ROM contient le BIOS
37/72
La mémoire vive
C’est la mémoire de travail de l’ordinateur
De type RAM, elle stocke temporairement des
informations
récupérées/générées
par
l’ordinateur.
On y range :
les programmes
les données
C’est le processeur qui y accède pour y
lire/ranger des données.
38/72
Bien distinguer
La mémoire centrale de l'ordinateur est une mémoire
électronique qui se présente sous la forme de circuits
intégrés. On en distingue donc ces deux types :
la RAM (Random Access Memory/mémoire à accès aléatoire) ou
mémoire vive, est la mémoire dans laquelle se charge tous les
programmes et les données qui doivent être utilisées par le
microprocesseur. C'est une mémoire volatile, c-à-d qu'elle se vide
dès que l'ordinateur est éteint.
la ROM (Read Only Memory/mémoire à lecture seulement) ou
mémoire morte, contient des programmes non modifiables utilisés
essentiellement au démarrage de la machine.
Il ne faut donc pas confondre ces 2 types de mémoires avec
la mémoire cache et la mémoire externe (les disques dures,
CD/DVD-Rom, clés USB etc.)
39/72
Ports d’E/S
L’unité centrale a besoin de communiquer avec
les périphériques
Le contrôleur sert d’interface entre le
périphérique (écran, clavier, disque dur, etc.) et
le bus
Différents
ports
pour
connecter
les
périphériques
40/72
Hiérarchie mémoire
41/72
Mémoires caches (1)
Comment fonctionne le principe des caches ?
Simple :
Une case de la mémoire vive est lue pour sa valeur
le temps passe…
Il faut relire la case, alors au lieu de la lire dans la
mémoire vive, on accède à la mémoire cache
Gestionnaire des cases de la mémoire :
Pour sauvegarder quelles sont les cases accessibles en cache
Pour ne pas lire une valeur en cache qui auraient été modifiée
en mémoire vive
Pour vider (« oublier ») des cases en cache qui ne semble plus
42/72
servir (rappel : la taille des caches est limitée)
Mémoires caches (2)
PECA
43/72
Différentes couches (1)
Begin Program_toto;
i:=1;
While i<10 do
j:=j*i;
i:=i+2;
print_string « valeur de i = »;
print_int i;
done;
End Program_toto
?
Circuit imprimé
du processeur
PECA
44/72
Différentes couches (2)
PECA
45/72
Exemple de configuration
46/72
Résumé
unité centrale
bus de
données
mémoire centrale
microprocesseur
périphériques
clavier
souris
écran
imprimante
modem
disque dur
lecteur de disquettes
lecteur de CD-ROMs
...
Pour les mémoires externe mais
physiquement
dans
l’unité
centrale, on parle aussi de bus
47/72
Mesures, comptage et codage
Les unités de mesure (1)
Octet=8
bits,
capacité
(taille)
principalement pour les mémoires
utilisés
RAM, disques etc.
certains périphériques comme carte vidéo, imprimantes
Baud (Bd), 1 baud=1 bit par seconde, anciennement
utilisé par les modems
Hertz (Hz), nombre d’événement par seconde. On
l’utilise pour:
les bus, carte mère, processeur
rafraîchissement de l’écran
les mémoires (RAM, caches)
49/72
Les unités de mesure (2)
Attention ! Comme souvent, les termes anglais et
français sont souvent utilisés indifféremment, parfois
pour entretenir le brouillard chez les consommateurs :
1 Octet = 1 Byte = 8 bits
1 Ko = 1 Kb = 1024 (2^10) Octets
1 Mo = 1 Mb = 1024 Ko = 1048576 (2^20) Octets
1 Go = 1 Gb = 1024 Mo = 1073741824 (2^30) Octets
1 To = T Tb = 1024 Go = 1099511627776 (2^40) Octets
50/72
Ordre de grandeur
1 octet = 1 caractère dans un fichier texte
1 Ko = environ une page de caractère
1 Mo = un livre, une petite chanson MP3
1 Go = un film
1 To = un disque dur moderne
51/72
Important
Loi de Moore : les performances (taille de la mémoire
centrale, taille de la mémoire secondaire, vitesse du
processeur) doublent tous les 18 mois
La taille de la mémoire secondaire n'est plus un élément
critique : il est maintenant difficile de remplir son disque
dure (sauf nombre exagérément grand de données
multimédia)
La taille de la mémoire centrale est toujours un élément
critique (logiciels toujours plus complexes, possibilité
d'ouvrir plusieurs logiciels à la fois).
La vitesse des processeurs est depuis longtemps suffisante
pour l’utilisation quotidienne d’un ordinateur…sauf pour les
jeux vidéos…
Si votre ordinateur n’as pour le moment les capacités
requises…attendez 18 mois avant d’en racheter un autre ;-)
52/72
Représentation de l’info
Il y a 10 types de gens dans le monde :
ceux qui comprennent le binaire et
ceux qui ne le comprennent pas.
53/72
Codage de l’information
Les informations traitées par un ordinateur peuvent être de
différents types (textes, nombres, images, sons etc…) mais
elles sont toujours représentées et traitées par l’ordinateur
sous forme binaire (suite de bits).
Un ordinateur ne « comprend » QUE le binaire : une suite
de 0 ou 1 (vrai ou faux, vide ou un doigt)
BIT = BInary digiT, unité élémentaire de l’information
Définition : Le codage d’une information consiste à établir
une correspondance entre la représentation externe
(habituelle) de l’information (le nombre 36 ou le caractère
«A» par exemple) et sa représentation interne dans la
machine (une suite de bits).
54/72
Compter en binaire (1)
1
00001
2
00010
3
00011
4
00100
5
00101
6
00110
7
00111
8
01000
9
01001
10
01010
11
01011
12
01100
13
01101
14
01110
15
0111155/72
Compter en binaire (2)
Quand on n’a plus de symbole
(nombre), on pose un zéro puis on
passe à la décimale suivant. Ici on
n’a que 2 symboles
En hexadécimale (16 symboles) : 1,
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F,
10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, … 99, A0,
A1, … B1, B2, … FE, FF, 100, …
9+1=10
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
Remarque : avec n bits on peut compter jusqu’à 2^n
56/72
Compter en binaire (3)
binaire décimal
0
0
1
1
10
2
11
3
100
4
101
5
110
6
111
7
binaire décimal
1000
8
1001
9
1010
10
1011
11
1100
12
1101
13
1110
14
1111
15
57/72
Codage de l’information
Toute information stockée en mémoire centrale ou en
mémoire secondaire se présente sous la forme d'une suite de
0 et de 1. On parle de numération binaire, à comparer avec
la numération décimale usuelle qui utilise 10 symboles.
Les 0 et les 1 symbolisent des tensions électriques
distinctes (par ex. 0,6 volts pour le "0" et 3 volts pour le
"1") qui sont présentes dans les circuits électroniques
(microprocesseur, mémoire centrale, bus...).
L'information élémentaire s'appelle le bit, qui peut contenir
soit la valeur 0, soit la valeur 1. Les bits sont regroupés par
séries de huit qu'on appelle des octets.
1 octet = 8 bits
exemple d'octet : 0 0 1 0 1 0 1 1
58/72
Caractère ASCII
La norme pour les caractères alphanumériques. 256 symboles = 2^8
symboles=FF symboles=11111111 symboles = 1 Octet !!!!!!!!
ASCII = « American Standard Code for Information Interchange »
Il existe aussi un autre standard international (unicode) sur 32 bits59/72
Calculer en binaire (1)
0100110
+ 0000011
0101001
PECA
1100000
+ 0100000
10000000
Bit supplémentaire qui dans une machine, ne
peut être calculé. On parle de dépassement de
bit et c’est à l’origine de nombreux bogues
informatiques…
60/72
Calculer en binaire (2)
Pour représenter les entiers négatifs, on utilise un bit
spécial, appelé « bit de poids » = 0 pour positif, 1 pour
négatif
Pour les réelles (0.2, 3.333333, etc.) on utilise aussi un
codage spécial dit à virgule flottante (norme IEEE754).
± x,y^z
1 bit pour le signe
8 à 11 bits pour l’exposant
23 à 52 bits pour la mantisse
Problème d’arrondis…on peut avoir x+(-x) = 0,000000000000001
PECA
Dans les machines, les opérations arithmétiques sont en fait
beaucoup plus sophistiquées et font encore l’objet de
recherche pour les optimisations…
61/72
Autres codages
Images :
Bitmap, jpeg, tiff, etc.
On y reviendra
Sons :
MP3, WAV, etc.
Trop technique pour ce cours
Vidéos = succession d’image+du son :
Avi, Mov, Divx, etc.
Encore plus technique
62/72
Convertisseur analogique (1)
Comment traiter un signal analogique à l’aide
d’un ordinateur ?
Inversement, comment transformer une suite
de bits en un signal analogique ?
63/72
Convertisseur analogique (2)
64/72
Codage des sons
Échantillonnage : Micro = son ! Impulsion électrique.
qualité CD : 44kHz ! 44000 mesures par seconde
PECA
Quantification : Un certain nombre de bits pour quantifier
chaque valeur mesurée. CD : 16 bits pour chaque donnée...
65/72
Codage du Multimédia (1)
De nombreux formats existent. Leurs caractéristiques
principales sont la résolution et la compression :
les sons peuvent être échantillonnés à 11Khz (faible qualité), 22
Khz ou 44 Khz (qualité CD), et être codés sur un octet (256
hauteurs de signal) ou 2 octets (65536 valeurs, qualité CD).
Un son qualité CD (non compressé) d'une minute nécessite 60 x
44000 x 2 = 5 280 000 octets ...
les images ont une taille calculée en pixels (un pixel = un point de
l'écran), par exemple 320 x 200 pixels, et leur résolution dépend du
nombre de couleurs de l'image :
1 pixel codé sur 1 octet
1 pixel codé sur 2 octets
1 pixel codé sur 3 octets
etc.
256 couleurs
65536 couleurs (milliers de couleurs)
16777216 couleurs (millions de couleurs)
66/72
Codage du Multimédia (2)
Une image en milliers de couleurs (non compressée) de 800 x 600
pixels nécessite 800 x 600 x 2 = 960 000 octets ...
les séquences vidéos sont des suites d'images qui s'affichent à un
certain rythme (de 16 à 25 images par seconde) ; vu la taille d'une
vidéo même petite, tous les formats vidéos utilisent des
algorithmes de compression.
Compression : Elle consiste à réduire la taille des données
par un examen des données répétitives. Par exemple, la
séquence binaire 0011111111000000 peut s'écrire : 2 bits à
0 puis 8 bits à 1 puis 6 bits à 0.
Pour la vidéo, ou les images consécutives se ressemblent,
on ne stockera que les changements d'une image par rapport
à la précédente. Les méthodes de compression les plus
efficaces enlèvent de la qualité aux données (compression
67/72
avec perte).
Codage du Multimédia (3)
Principaux formats d'images :
GIF (Graphics Interchange Format) : compression sans perte, 256 couleurs maximum.,
encore répandu sur le web
JPEG (ou JPG) : compression variable avec perte, très répandu sur le web
BMP (bitmap) : format non compressé standard sur PC Windows
PCX : format non compressé du logiciel PC Paintbrush
TIFF (tag image file format) : format non compressé à usage professionnel
Les formats d'image non compressés sont utilisés pour la création et la retouche
d'images, ainsi que pour l'impression de documents de qualité.
Quelques formats de sons :
WAV : le format des sons de Windows
MP3 : format compressé avec perte (utilise les imperfections de l'oreille)
Quelques formats de vidéos :
AVI : le format Windows standard, faible qualité, lu avec le logiciel MediaPlayer fourni
avec Windows
MOV : format vidéo Quicktime (conçu par Apple)
RM : format du logiciel RealPlayer
MPG (ou MPEG) : clip cinéma, plusieurs types de compressions très performantes
Les logiciels de gestion d'images, de sons et de vidéo permettent dans certains cas de
transformer des données d'un format à un autre.
68/72
Assembleur et instructions
Un processeur exécute séquentiellement une suite
d’instructions élémentaires qui constituent un programme.
Ces instructions sont du genre :
Opérations arithmétiques (+, -, * etc.)
Lecture/écriture en mémoire (registremémoire)
Saut conditionnel (allez à l’instruction 1000)
Interruptions systèmes du BIOS (accès à des informations
provenant de périphériques comme le clavier)
Chaque type de machine à son jeu d’instructions (INTEL,
SUN, ALPHA, etc.)
69/72
Exemples
PECA
10101010
11100110
10101010
10101010
00011010
10101010
10101010
00100101
01010101
01010001
01010101
01000001
70/72
Quelques références
Architecture et technologie des ordinateurs
P. Zanella, Y. Ligier, DUNOD
Organisation et conception des ordinateurs,
L’interface matériel/logiciel
D. Hennessy, J. Patterson, DUNOD.
Sur le net :
http ://www.commentcamarche.net/pc/
http ://fr.wikipedia.org
71/72
À la semaine prochaine !