Architecture de base d`un ordinateur

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Architecture de base d’un ordinateur
„ Il y a 10 types de gens
dans le monde : ceux qui
comprennent le binaire et
ceux qui ne le
comprennent pas.
26/08/2016
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Contenu du cours
„ l'aboutissement d'une longue histoire
„ La structure d'un ordinateur
„ Le processeur
„ L'unité arithmétique et logique
„ Les mémoires
„ Les entrées - sorties
„ Ordinateur personnel
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l'aboutissement d'une longue histoire
L'informatique est née de la convergence de plusieurs démarches :
„1. la mécanisation du calcul arithmétique:
„ la 'Pascaline' de Blaise Pascal (1643), capable d'effectuer
additions et soustractions,
„ la machine de Leibnitz (1673) qui ajoute la multiplication, la
division et le calcul des racines carrées,
„2. la logique mathématique:
„ Boole (1854) qui formalise une algèbre avec deux éléments
(vrai et faux) et trois opérations (et, ou, non),
„ Shannon (1938) qui lie l'algèbre de Boole, les nombres binaires
et les signaux électriques,
„ Turing (1936) avec les bases de l'algorithmique moderne.
En 1946 John von Neumann a pose les principes de ce qu'est un
ordinateur : une machine de traitement de l'information a programme
enregistre.
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Chronologie
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Introduction
„ Un
ordinateur est une machine de traitement de
l’information. Il est capable d’acquérir de l’information, de la
stocker, de la transformer en effectuant des traitements
quelconques, puis de la restituer sous une autre forme.
„ Une information est tout ensemble de données.
textes,
„ nombres,
„ sons, images, etc.,
„ les instructions composant un programme.
„ Toute information est manipulée sous forme binaire (ou
numérique) par l’ordinateur.
„
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Contenu du cours
„ l'aboutissement d'une longue histoire
„ La structure d'un ordinateur
„ Le processeur
„ L'unité arithmétique et logique
„ Les mémoires
„ Les entrées - sorties
„ Ordinateur personnel
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La structure d'un ordinateur
Processeur
mémoire
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Architecture de Base
L’architecture de base de la plupart des systèmes à microprocesseur
actuel est composée des éléments suivants :
„ une unité centrale (UC)
„ une mémoire principale
„ des interfaces d’entrées/sorties (E/S)
Les différents organes du
système sont reliés par des
voies de communication
appelées bus.
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Architecture de Von Neumann
„ Cette architecture est caractérisée par un processeur et
une mémoire reliés par un bus :
„ Les instructions et les données sont stockées dans la
mémoire.
„ L'efficacité d'un ordinateur est directement liée au débit des
informations (instructions et données) qui circulent entre les
différents éléments.
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Communication avec l'extérieur
„ La
machine de base, dite de Von Neumann, ne
présenterait
aucun
intérêt
sans
un
dispositif
d'entrées/sorties pour permettre une communication avec
l'extérieur.
„ Pour une machine aussi simple il existe au moins trois
méthodes pour installer un tel dispositif :
Interface directement
reliée au processeur
Interface connectée au bus commun:
le processeur s'adresse à la mémoire
ou à l'interface d'E/S.
Interface vue par le processeur
comme une partie de la
mémoire
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Architecture de Harvard
„ Dans
cette architecture on sépare physiquement la
mémoire des instructions (MI) et la mémoire de données
(MD). Chacune de ces mémoires est accessible par un bus
différent. Il est alors possible d'accéder simultanément aux
instructions et aux données, ce qui permet d'augmenter le
flux des informations.
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Opérations en parallèle
„ Pour permettre aux interfaces d'E/S de lire ou d'écrire des
données en mémoire pendant que le processeur effectue des
calculs sur les données précédentes, il est intéressant d'utiliser
une mémoire de données accessible depuis deux ports
différents.
„ De cette façon le processeur et l'interface peuvent chacun
accéder alternativement à une moitié différente de la mémoire
P
E/S
P
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E/S
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Contenu du cours
„ l'aboutissement d'une longue histoire
„ La structure d'un ordinateur
„ Le processeur
„ L'unité arithmétique et logique
„ Les mémoires
„ Ordinateur personnel
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Architecture
„ Les principaux constituants d’un ordinateur sont le processeur et
la mémoire principale.
le bus système permet au
processeur de communiquer avec
la mémoire centrale du système
(RAM).
• Le bus d'adressage
• Le bus de données
les bus d'extension (bus
d'entrée/sortie) permet aux
divers composants de
communiquer entre eux
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Le processeur
„ Le processeur est divisé en deux
parties l’unité de commande et
l’unité de traitement :
„ l’Unité de Commande est
responsable de la lecture en
mémoire et du décodage des
instructions ;
„ l’Unité de Traitement, aussi
appelée Unité Arithmétique
et Logique (U.A.L.), exécute
les instructions qui
manipulent les données.
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Unité centrale : Le processeur
le processeur exécute les opérations arithmétiques et logiques
contenues dans les programmes qui composent la partie logicielle de
l’ordinateur
Le processeur est un circuit électronique complexe qui exécute
chaque instruction en quelques cycles d’horloges.
„ La fréquence de cette horloge s’exprime en MHz (millions de
battements par seconde).
„ Pour chaque instruction, le processeur effectue schématiquement
les opérations suivantes:
•1. lire en mémoire (MP) l’instruction à exécuter ;
•2. effectuer le traitement correspondant ;
•3. passer à l’instruction suivante.
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Le microprocesseur
„ Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été
suffisamment miniaturisés pour que l’ensemble du processeur
puisse tenir sur un seul circuit intégré
MIPS : le nombre de millions
d’instructions complétées par le
microprocesseur en une seconde.
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Contenu du cours
„ l'aboutissement d'une longue histoire
„ La structure d'un ordinateur
„ Le processeur
„ L'unité arithmétique et logique
„ Les mémoires
„ Ordinateur personnel
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L'unité arithmétique et logique
„ L'unité arithmétique et logique, abrégée UAL, est l'organe de
l'ordinateur chargé d'effectuer les calculs. Elle est incluse dans le
microprocesseur.
les données à traiter
les drapeaux
(erreur,..)
l'opération à effectuer
le résultat de l'opération
Elle exécute les calculs arithmétiques (ex : addition) et logique (ex :
comparaison).
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La mémoire - Structure
Dispositif capable d'enregistrer, de conserver et de restituer des données
„ La
mémoire est divisée en
emplacements mémoire de taille fixe
(d’un octet) pour stocker instructions
et données.
„ Dans une mémoire de taille N, on a N
emplacements mémoires, numérotés
de 0 à N - 1. Chaque emplacement est
repéré par son numéro, appelé
adresse. L’adresse est le plus souvent
écrite en hexadécimal.
„ La capacité (taille) de la mémoire est
le nombre d’emplacements, exprimé
en général en kilo-octets ou en mégaoctets.
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Opérations sur la mémoire
„ Seul le processeur peut modifier l’état de la mémoire.
„ Chaque emplacement mémoire conserve les informations que le
processeur y écrit jusqu’à coupure de l’alimentation électrique,
où tout le contenu est perdu (contrairement au contenu des
mémoires externes comme les disquettes et disques durs).
„ Les seules opérations possibles sur la mémoire sont :
„ écriture d’un emplacement : le processeur donne une valeur et
une adresse, et la mémoire range la valeur à l’emplacement
indiqué par l’adresse ;
„ lecture d’un emplacement : le processeur demande à la
mémoire la valeur contenue à l’adresse. Le contenu de
l’emplacement lu reste inchangé.
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Exécution des instructions
Presser 2 > La donnée parvient
au microprocesseur grâce au bus
mémoire et est stocké dans le
Registre instruction, où il lui est
attribué un code 2 = X , puis
envoyé au Décodeur pour
traitement.
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Exécution des instructions
Dans le décodeur l'instruction
"2 = X" est décodée en binaire et
envoyée à l'unité de contrôle puis
mise dans le Registre données à
une adresse .
il attend d'autres commandes
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Exécution des instructions
Lorsque vous appuyez sur 3,
Similaire à "2 = X", > stockée
dans le tampon des Instruction
où il lui est attribué le code "3 =
Y" , puis décodée en binaire et
envoyée à l'unité de contrôle
puis mise dans le tampon des
données à une adresse .
il attend d'autres commandes
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Exécution des instructions
Lorsque vous appuyez sur la
touche "+" , c'est une nouvelle
instruction, le signe "+" est stocké
à une adresse dans tampon
instruction comme un code "X + Y
= Z " puis stockée dans le tampon
d'instructions et envoyée au
décodeur.
Dans le Décodeur, "X + Y = Z" est
traduite ou décodée et envoyé à la
fois à l'unité de contrôle et au
tampon de données pour exécuter
la fonction ADD de l’Unité
Arithmétique et Logique
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Exécution des instructions
Dans l'unité de contrôle, le code
est rompu et la commande ADD
est envoyée à l'UAL, où "X" et "Y"
sont ajoutés les uns après qu'ils
ont été envoyés à partir des
données de cache.
UAL envoie le "5" pour être stockés
dans un emplacement de l'adresse
registres
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Exécution des instructions
Lorsque vous appuyez sur la touche
"=" , l'instruction pour "=" entre dans le
microprocesseur par le Bus mémoire
et est stocké dans le tampon
Instruction sous le code "Imprimer Z."
puis envoie au Décodeur . Dans le
Décodeur, l'instruction "Imprimer Z" est
traduite ou décodée en binaire puis
envoyée à l'unité de contrôle.
Maintenant que la valeur de Z a été
calculé, et il est résidant dans le
registre entrée du fichier # 5, la
commande d'impression ne dispose
que de récupérer le contenu de 5
enregistrer et afficher à l'écran.
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Bus externe de
données et
d’instructions
Bus externe
d’adresse
Instructions
Et données
Tampon
de données
Tampon
d’adresse
Bus interne de données
et d’instructions
Unité
Arithmétique et
Logique
Registre
d’instructions
Code
Opération
Adresse
Opérande
Registre
accumulateur
Décodeur
d’instruction
Horloge
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Bus interne
d’adresses
Compteur
ordinal
Unité de
contrôle
Signaux de
contrôle
Bus externe de
contrôle
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Contenu du cours
„ l'aboutissement d'une longue histoire
„ La structure d'un ordinateur
„ Le processeur
„ L'unité arithmétique et logique
„ Les mémoires
„ Les entrées – sorties
„ Ordinateur personnel
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Les mémoires - Définition
Dispositif capable d'enregistrer, de conserver et de restituer des données
Munis de circuits
• d'entrée pour introduire les données à enregistrer
• de stockage pour conserver les données
• mémorisation permanente (une seule écriture puis lectures
multiples)
• à mémorisation temporaire (lecture / écriture à volonté)
• à mémorisation volatile (nécessite un renouvellement régulier
des données dans les cellules mémoires)
• de sortie pour accéder aux données enregistrées
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Différents types de mémoire
Mémoires
Mémoires Vives
RAM
Statiques
Mémoires Mortes
RAM
Dynamiques
ROM
PROM
EPROM
EAROM
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Les mémoires à lecture-Ecriture - Caractéristiques
Caractéristiques d’une mémoire
•La capacité : c’est le nombre total de bits que contient la mémoire. Elle
s’exprime aussi souvent en octet.
•Le temps d’accès : c’est le temps qui s'écoule entre l'instant où a été
lancée une opération de lecture/écriture en mémoire et l'instant où la
première information est disponible sur le bus de données.
•Le temps de cycle : il représente l'intervalle minimum qui doit séparer
deux demandes successives de lecture ou d'écriture.
•Volatilité : elle caractérise la permanence des informations dans la
mémoire.
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Les mémoires à lecture-Ecriture
Elles ne peuvent conserver l'information que temporairement( si elles
sont alimentées)
R.A.M : Random Acces Memory (mémoire à accès aléatoire), elles sont
aussi appelées mémoires vives. On distingue 2 grandes familles :
• RAM Statique (SRAM): l'information est maintenue tant que
l'alimentation est présente.
• RAM Dynamique (DRAM) : elle nécessite une opération
supplémentaire de " rafraîchissement " pour maintenir l'information
présente.
En général les mémoires dynamiques sont utilisées pour la mémoire
centrale, alors que les mémoires statiques, plus rapides, pour des
mémoires de petite taille comme les caches et les registres.
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Historique de quelques DRAM
„ La DRAM EDO (Extended Data Out, 1995): Les composants de
cette mémoire permettent de conserver plus longtemps
l'information (33 à 50 Mhz)
„ La DRAM BEDO (Bursted EDO): Permet de gagner beaucoup de
temps (66 Mhz)
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Historique de quelques DRAM
„ La Synchronous DRAM (SDRAM,
1997): synchronise sur une horloge
(100 Mhz).
„ La DDR-I ou DDR-SDRAM (Double
Data Rate Synchronous DRAM,
2000) : permet de recevoir ou
d'envoyer des données lors du front
montant et du front descendant de
l’horloge. (133 à 200 MHz). Elle est
remplacée par la DDR II (200 Mhz )
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RAM
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Les Mémoires à Lecture seule
les informations sont permanentes et l'utilisateur ne peut que les
lires. On trouve dans cette catégorie :
„ R.O.M. : Read Only Memory (mémoire à lecture seule) elle
est programmée une fois pour toutes par le fabricant.
„ P.R.O.M. : Programmable Read Only Memory, mémoire
programmable une fois par l'utilisateur
„ E.P.R.O.M. : Programmable Read Only Memory, mémoire à
lecture seule reprogrammable plusieurs fois par l'utilisateur
après effacement sous un rayonnement ultra violet.
E.A.R.O.M. : Electrically Alterable Read Only Memory ,
mémoire à lecture seule reprogrammable plusieurs fois par
l'utilisateur mais effaçable électriquement
Ces mémoires conservent les informations stockées même après
coupure de l'alimentation.
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E.P.R.O.M
effacement sous un rayonnement
ultra violet
E.A.R.O.M
effaçable électriquement
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Hiérarchie des mémoires
„ Mémoires volatiles
„
„
„
„
„
On trouve d'abord des mémoires très rapides (les plus
chères), en petit nombre, accessibles immédiatement par le
processeur. Ce sont les registres.
On trouve ensuite le cache. Accessible en quelques cycles
d'horloge (1 ou 2 en général) il contient quelques dizaines de
milliers de mots.
On a ensuite la mémoire principale ou mémoire centrale.
On dispose parfois d'une mémoire d'appui ou d'arrière-plan,
intermédiaire entre la mémoire centrale et les mémoires
auxiliaires.
Mémoire permanente.
„ Les disques magnétiques forment le niveau suivant
(mémoires auxiliaires ou mémoires de masse)
„ Le dernier niveau correspond à l'archivage des données
(disque optique numérique).
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Hiérarchie des mémoires
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Contenu du cours
„ l'aboutissement d'une longue histoire
„ La structure d'un ordinateur
„ Le processeur
„ L'unité arithmétique et logique
„ Les mémoires
„ Les entrées - sorties
„ Ordinateur personnel
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Entrées-Sorties
„ Les ordinateurs sont utilisés pour traiter et stocker des
informations. Nous avons jusqu’ici décrit le fonctionnement du
processeur et la mémoire principale. Nous allons maintenant
étudier comment un ordinateur peut échanger de l’information
avec son environnement; ces échanges d’informations sont
nommés entrées/sorties
„ Le point commun entre tous les périphériques d’entrée est qu’ils
convertissent l’information qu’ils récupèrent de l’extérieur en
données compréhensibles par l’ordinateur.
„ A l’inverse, les périphériques de sortie décodent l’information
fournie par l’ordinateur afin de la rendre utilisable par
l’utilisateur.
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Les Entrées sorties
„ Les périphériques sont raccordés à l ’ordinateur par
l ’intermédiaire de bus.
„ L ’ordinateur est généralement constitué d ’un châssis
supportant la carte mère et divers emplacements (slots)
libres sur le bus reliant l ’UC aux périphériques.
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Bus
„ Structure logique d ’un PC
Bus
„ Chaque contrôleur qui pilotent les périphériques et gèrent
les accès au bus
„ Si un contrôleur lit ou écrit directement en mémoire il fait
un Direct Acces Memory (DMA)
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Contenu du cours
„ l'aboutissement d'une longue histoire
„ La structure d'un ordinateur
„ Le processeur
„ L'unité arithmétique et logique
„ Les mémoires
„ Les entrées - sorties
„ Ordinateur personnel
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Les ordinateurs personnels
CPU (Microprocesseur)
Carte mère
Mémoire vive (RAM)
Écran
Cartes de périphériques
Alimentation
Lecteur de disques (CD)
Disque dur
Clavier
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Souris
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Ordinateur personnel
Ordinateur personnel
„ Carte mère
„ Carte graphique
„ Carte son
„ Carte réseau
„ Carte mémoire
„ Alimentation
„ Lecteur CD
„ Disque Dur
„ Clavier
„ Souris
26/08/2016
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48
Carte mère
„ La carte mère (motherboard) est un circuit imprimé servant
à interconnecter toutes les composantes d'un microordinateur D le système nerveux du micro-ordinateur.
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49
Éléments d’une carte mère
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Carte mère
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51
Ordinateur personnel
Ordinateur personnel
„ Carte mère
„ Carte graphique
„ Carte son
„ Carte réseau
„ Carte mémoire
„ Alimentation
„ Lecteur CD
„ Disque Dur
„ Clavier
„ Souris
26/08/2016
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52
Carte graphique
„ Une carte graphique ou carte vidéo est une carte
d'extension d'ordinateur dont le rôle est de produire une
image affichable sur un moniteur d'ordinateur.
26/08/2016
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53
Ordinateur personnel
Ordinateur personnel
„ Carte mère
„ Carte graphique
„ Carte son
„ Carte réseau
„ Carte mémoire
„ Alimentation
„ Lecteur CD
„ Disque Dur
„ Clavier
„ Souris
26/08/2016
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Carte de traitement sonore
„ Une carte de traitement sonore est une carte d'extension
d'ordinateur. La principale fonction de cette carte est de
gérer toute la partie « audible » de l'ordinateur : musique,
bruitages, voix, etc.
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Ordinateur personnel
Ordinateur personnel
„ Carte mère
„ Carte graphique
„ Carte son
„ Carte réseau
„ Carte mémoire
„ Alimentation
„ Lecteur CD
„ Disque Dur
„ Clavier
„ Souris
26/08/2016
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56
Carte réseau
„ Une carte réseau est une carte d'extension d'ordinateur.
Elle assure le rattachement d'un équipement informatique à
un ensemble d'autres ressources connectées sur le même
réseau.
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Ordinateur personnel
Ordinateur personnel
„ Carte mère
„ Carte graphique
„ Carte son
„ Carte réseau
„ Carte mémoire
„ Alimentation
„ Lecteur CD
„ Disque Dur
„ Clavier
„ Souris
26/08/2016
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Carte mémoire
„ Une carte mémoire est une unité de stockage de données
numériques ( les appareils photo numériques, de jeux
vidéo, musique MP3 , données,..)
XD-Picture Card
Memorystick
Secure Digital
Elle est aujourd'hui (2007) la carte mémoire la plus répandue et offre une
capacité maximale de 2 Go . Bientôt, une nouvelle version SDHC 2.0 permet une
capacité de 32 Go.
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La carte PCMCIA
„ PCMCIA (pour Personal Computer Memory Card
International Association), ou PC Card, est un format de
carte d'extension ultra-plat, dédié aux ordinateurs portables
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Ordinateur personnel
Ordinateur personnel
„ Carte mère
„ Carte graphique
„ Carte son
„ Carte réseau
„ Carte mémoire
„ Alimentation
„ Lecteur CD
„ Disque Dur
„ Clavier
„ Souris
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Alimentation électrique
„ Appareil destiné à fournir de l'électricité, avec des
caractéristiques en courant, tension et, fréquence
spécifiques
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Ordinateur personnel
Ordinateur personnel
„ Carte mère
„ Carte graphique
„ Carte son
„ Carte réseau
„ Carte mémoire
„ Alimentation
„ Lecteur CD
„ Disque Dur
„ Clavier
„ Souris
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Lecteur de CD
„ Le lecteur de CD est un lecteur de disque optique qui lit au
moyen d'une diode laser les disques optiques appelés
disques compacts (ou CD), qu'il s'agisse de CD audio ou
de CD-ROM informatiques.
Le DVD-Rom ressemble comme deux gouttes d'eau au CDROM, mais il bénéficie d'une densité d'écriture nettement
supérieure
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Ordinateur personnel
Ordinateur personnel
„ Carte mère
„ Carte graphique
„ Carte son
„ Carte réseau
„ Carte mémoire
„ Alimentation
„ Lecteur CD
„ Disque Dur
„ Clavier
„ Souris
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Disque dur
„ Le disque dur ou Hard Disk Drive est une mémoire de
masse magnétique.
Exemple : 63 cylindres * 255 têtes * 10 011 secteurs * 512 octets/secteur =
82 343 278 080 octets soit 76,688 Gio (ou 82,343 Go).
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Ordinateur personnel
Ordinateur personnel
„ Carte mère
„ Carte graphique
„ Carte son
„ Carte réseau
„ Carte mémoire
„ Alimentation
„ Lecteur CD
„ Disque Dur
„ Clavier
„ Souris
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Clavier d'ordinateur
„ Un clavier d'ordinateur est un périphérique permettant à
un utilisateur d'entrer dans l'ordinateur du texte et des
caractères, ainsi que de lui communiquer des instructions.
„ Existent notamment des claviers AZERTY, QWERTY,
français, belge, espagnol, États-Unis, 102 touches
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Souris (informatique)
„ Une souris est un dispositif de pointage relatif manuel pour
ordinateur ; a été inventée en 1963
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Ordinateur personnel
Ordinateur personnel
„ Carte mère
„ Carte graphique
„ Carte son
„ Carte réseau
„ Carte mémoire
„ Alimentation
„ Lecteur CD
„ Disque Dur
„ Clavier
„ Souris
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Où trouve-t-on des systèmes à microprocesseur
„ Ordinateur, PDA
„ console de jeux
„ calculatrice
„ télévision
„ téléphone portable
„ distributeur automatique
„
„
„
„
„
d’argent
robotique
lecteur carte à puce, code
barre
automobile
instrumentation
etc…
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