ARCHITECTURE DES ORDINATEURS

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1 ARCHITECTURE DES ORDINATEURS Télécommunications et réseaux 1 ème année ANNEE ELKHOMSI MOHAMED

2 Dans les années 1990, on parlait plutôt des NTI, Nouvelles Technologies de l'information, mais avec le mariage de l'informatique, de l'électronique, des télécommunications et des multimédias, on préfère parler désormais des NTIC : Mais NTIC restent dans l'esprit du grand public associé à l'usage d'informatique connecté à internet. On remarquera que beaucoup de chercheurs et praticiens demandent à supprimer le terme nouveau en remplaçant NTIC par TIC, en expliquant qu'on ne peut pas éternellement désigner comme nouvelles des techniques qui sont utilisées depuis 20 ans. Le terme NTIC persiste.

3 Contrairement aux autres secteurs industriels, l'industrie informatique pousse au renouvellement rapide de ses produits. Ce secteur a réussi depuis près de 30 ans à multiplier la puissance du matériel informatique à prix constant. Les constructeurs offrent des nouvelles gammes de produits [Imprimantes, processeurs, cartes graphiques,... ] pratiquement tous les trimestres, pour amener les particuliers et les entreprises à changer le plus souvent possible leur équipement informatique. Pourtant, il est bon de rappeler certaines évidences : Quand vous achetez du matériel informatique à une date donnée, tout ce que ce matériel peut réaliser : par exemple de la bureautique, du traitement vidéo ou audio, regarder des films, jouer, communiquer par mail, il pourra le réaliser durant toute sa durée de vie.

4 Il faut donc faire attention à la notion d'obsolescence du matériel informatique. Il apparaît juste de temps en temps des nouveaux logiciels, plus gourmands en ressources matérielles c à d plus de mémoire, des processeurs plus puissants, un plus gros disque dur qui, eux, ne fonctionneront plus sur votre ordinateur. Aussi attention à ne pas trop prêter attention aux discours industriels qui vous incitent souvent à renouveler votre matériel là ou un simple rajout de disque dur ou de mémoire suffirait à poursuivre son utilisation pour des usages nouveaux et où rien n'est nécessaire pour poursuivre vos usages habituels.

5 À part pour des usages spécifiques principalement les jeux 3D, le traitement vidéo et audio les ordinateurs, même relativement anciens, (moins de 7 ans) peuvent pratiquement tous faire de la bureautique :Traitement de texte, tableur, présentation,..., de la navigation et mail sur Internet. La lenteur des connections peut venir de votre débit de connexion,elle ne viendra pas de votre équipement informatique.

6 Si on prend comme hypothèse l'évolution passée de l'informatique et qu'on tente de prévoir la puissance des équipements informatiques et les usages de demain en Cette puissance devrait être multipliée par à coût constant. L ordinateur de 2030 ne sera pas encore capable de réaliser, en terme de puissance de calcul, ce qu'un cerveau humain peut réaliser. Par contre, on verra probablement de plus en plus de logiciels simulant vocalement, et graphiquement des personnes humaines. Ainsi, nous aurons des interlocuteurs virtuels qui répondront à nos questions quand on aura un problème de livraison de colis par la Poste, par exemple.

7 Accès au réseau Internet On disposera probablement presque tous d'un accès réseau avoisinant les 100 térabits par secondes (pour infos, les connections adsl sont aujourd'hui plutôt de 1 à 16 mégabits par secondes) soit fois plus rapide ce qui permettrait donc des usages de vidéos hautes définitions instantanément. Aujourd'hui 1,3 milliard de terminaux mobiles sont connectés à Internet parmi eux principalement des ordinateurs et des téléphones portables. En 2030 on peut estimer que 40 milliards d'outils divers seront connectés à Internet, avec de plus en plus d'électronique connectée et intégrée dans toutes les machines que nous utilisons[ordinateurs et portables mais aussi des portails de maison, réfrigérateurs, machines à café, montres, etc.].

8 Dans les passages précédents, on a vu qu'il fallait prendre du recul sur l'évolution rapide du matériel informatique et sa relative obsolescence. Pourtant il existe un domaine où l'obsolescence est manifeste, c est le domaine des ressources humaines où il faut impérativement actualiser les compétences. par exemple,la formation continue, est nécessaire et permet à chacun d'entre nous de garder un bon niveau de maîtrise sur tous les changements intéressants qui se produisent dans sa branche. Et également de continuer à se former aux nouveaux outils informatiques et logiciels que vous avez appris pendant vos études.

9 Un étudiant qui a passé son Certificat avec succès en 2004 saura probablement toute sa vie bien structurer un document avec un traitement de texte ou utiliser un tableur s'il continue à pratiquer ces outils. Cependant ce même étudiant n'aura pas appris par exemple ce qu'est un flux RSS car ce n'était pas demandé dans le programme Il est donc important de comprendre que les connaissances que vous obtenez aujourd'hui d'utilisation d'outils informatiques correspondent à une date donnée. Il sera de votre ressort ensuite d'actualiser ces connaissances. Un fil RSS est un moyen pour se tenir au courant des mises à jour d'un site. A chaque fois qu'un article est mis à jour ou qu'un nouvel article est publié, le fil RSS peut vous prévenir de ces mises à jour. Ces prospections sont inspirées d'un rapport du cabinet Prosodie, groupe international d'experts en informatique, qui a tenté en 2006 avec un certain nombre de spécialistes d'imaginer ce que sera l'informatique de demain.

10 Un ordinateur est un système complexe, capable de réaliser des tâches variées. Il est composé d un ensemble d éléments matériels et logiciels. Les premiers sont des composants physiques d un ordinateur Les éléments logiciels sont des ensembles de programmes qui permettent d indiquer à l ordinateur quelles tâches il doit réaliser, et comment les effectuer : ce sont le système d exploitation (comme Windows, Mac OS ou Linux), et les applications que vous demandez à votre ordinateur d exécuter.

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13 Du point de vue de utilisateur, un logiciel est une application qui répond à l'un de ses besoins. un logiciel est l'ensemble des éléments informatiques qui permettent d'assurer une tâche ou une fonction. Exemple : logiciel de comptabilité, logiciel de gestion des prêts. C'est une suite d'instructions écrites dans un des langages informatiques qui forme un tout cohérent. Le terme a été inventé en 1967 pour remplacer le terme anglais "software". Le logiciel [programme, application] est la partie non visible de l'ordinateur. Le logiciel qui permet aux autres logiciels de fonctionner et qui gère aussi les ressources matérielles de la machine (écran, clavier,...) sur un ordinateur donné s'appelle système d'exploitation.

14 Pour créer un logiciel, la manière la plus courante est de l'écrire dans un langage informatique compréhensible par des humains, et ensuite de le traduire en code binaire. Cette traduction est effectuée par un logiciel appelé compilateur. Le code binaire est incompréhensible pour l'homme. Le logiciel dans sa forme compréhensible est appelé source du logiciel, ou source du programme (parfois aussi "code source "), et dans sa version en langage machine, il est appelé "binaire" (ou exécutable).

15 Imaginons que vous vous trouvez dans un restaurant et que vous mangez un excellent plat. Pour le cuisiner chez vous il faut une recette? En informatique, pour un logiciel, un code source est la recette, le binaire ou le code exécutable est le plat déjà cuisiné. La plupart des logiciels dits logiciels propriétaires sont distribués sans leur code source et il est interdit d'essayer de comprendre leur fonctionnement, ou d'essayer de les modifier pour les adapter à vos besoins à la différence des logiciels à code ouvert (open source).

16 un programme n a pas de réalité physique. C est un ensemble d informations qui décrit la manière de réaliser une action. L ensemble des programmes disponibles sur un ordinateur constitue ses éléments logiciels. Il existe deux catégories de programmes : les systèmes d exploitation les applications.

17 Un ordinateur possède trois fonctions : Calculer ; Gérer des données ; Communiquer.

18 C'est la tâche pour laquelle l'ordinateur a été conçu au départ. D'ailleurs, le nom anglais de l'ordinateur, «computer», signifie en français «calculateur». La fonction de calcul d'un ordinateur ne se limite pas à l'utilisation de la calculette, d'un tableur ou à l'exécution de programmes de calculs scientifiques. Mais le calcul existe dans toutes les opérations que réalise un ordinateur : L'affichage d'une page web ou d'un document Le codage et le décodage des informations stockées dans les fichiers, La gestion des communications avec d'autres ordinateur sur un réseau...

19 Exemple Par exemple, lorsque l'on rédige une lettre dans un traitement de texte, le texte et sa mise en forme sont transformés en une suite de nombres que l'ordinateur peut ensuite stocker ou manipuler. Cette opération, appelée «codage de l'information», est l'une des nombreuses opérations de calcul nécessaires au fonctionnement des différents programmes

20 Lorsque vous utilisez un ordinateur, vous avez souvent besoin de conserver les résultats de votre travail. Rédaction d un CV, d un message ou retouche d'image par exemple. Dans toutes ces situations, une fois votre travail terminé, vous souhaitez que l'ordinateur puisse enregistrer les données correspondantes, et vous les restituer ultérieurement. Quels que soient les éléments de l'ordinateur où ce stockage aura lieu, il est nécessaire de mettre en forme ces données et de les organiser, pour que vous puissiez les retrouver au milieu de l'ensemble des autres données également stockées au même endroit.

21 Un ordinateur peut communiquer soit avec un utilisateur, soit avec un autre ordinateur. La fonction de communication ne consiste donc pas uniquement à échanger des informations sur Internet. Cette utilisation est d ailleurs la plus récente, puisqu elle ne s est réellement développée qu à partir des années En revanche, quelle que soit la tâche que vous réalisez avec votre ordinateur, vous passez votre temps à interagir avec lui, soit pour lui donner des ordres, soit pour prendre connaissance des résultats.

22 Les trois éléments essentiels d'un ordinateur sont, le processeur, la mémoire et le dispositif de gestion des entrées-sorties. Ils communiquent entre eux par l'intermédiaire du bus.

23 Le microprocesseur est le cerveau de l'ordinateur où se déroulent le calcul. Un microprocesseur est une puce électronique qui se présente sous la forme d'une boîte, dont la taille et la forme varient selon son degré de perfectionnement. Lorsque vous regardez à l'intérieur d'un ordinateur, il est souvent caché par un dispositif de refroidissement, qui lui permet de fonctionner à une vitesse élevée en conservant une température optimale de l'ordre de 50.

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25 L'ordinateur exécute des tâches complexes, appelées programmes ou processus, ces processus sont traités par le microprocesseur sous forme d'une suite d'opérations. Ces opérations sont l addition, multiplication, tests logiques... Un processeur moderne peut contenir plusieurs unités de calcul, additionneur, multiplicateur entier ou flottant. Certains peuvent effectuer des opérations plus complexes comme plusieurs additions et multiplications flottantes simultanément. Le processeur peut donc réaliser plusieurs instructions élémentaires parallèlement.

26 Pour permettre au microprocesseur de fonctionner, d'autres éléments lui sont rattachés. La mémoire vive (RAM «Random Access Memory») de l'ordinateur sert pour stocker les données et les programmes. C est une mémoire volatile La mémoire vive se présente sous forme de «barrettes», représentant une certaine quantité de mémoire. Une machine peut accepter entre une et quatre barrettes.

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28 Pour pouvoir exécuter un processus, il faut que le programme et les données soient «chargés» en mémoire, c'est-à-dire recopiés, depuis les supports où ils sont stockés lorsque l'ordinateur est éteint, vers la mémoire. Lorsque vous avez plusieurs applications ouvertes en même temps, l ensemble de ces application doivent chargées en mémoire au même temps. Le système d'exploitation d'un ordinateur est toujours résident en mémoire centrale et, également exécutés par le microprocesseur.

29 Dans le cas où votre ordinateur ne dispose pas d'assez de mémoire pour stocker tous les programmes et toutes les données associées, votre ordinateur peut utiliser, un disque dur pour enregistrer temporairement les informations. C est ce qu on appel la mémoire virtuelle. À chaque fois qu'il aura à exécuter une opération dont les informations sont stockées dans cet espace temporaire, il devra donc échanger ces données avec d'autres, situées dans la mémoire. Cette opération peut prendre beaucoup de temps et ralentir considérablement l'ordinateur.

30 En informatique, un bus permet le transport des informations entre différents composants d'un ordinateur. Il sert à relier le microprocesseur à la mémoire centrale, aux dispositifs de stockage ou aux périphériques. D'un point de vue technique, il est constitué d'un ensemble de fils (une nappe) ou de «pistes» sur un circuit intégré. Chacune de ces pistes permet de véhiculer une information en parallèle. Par conséquent, leur nombre influe sur la vitesse de transfert des données entre les composants de l'ordinateur.

31 La carte mère d'un ordinateur est la «plaque» de circuit imprimé qui permet de relier tous les composants, et qui prend la plus grande partie, à l'intérieur du boîtier. La principale fonction d'une carte mère est la mise en relation de ces composants par des bus sous forme de circuits imprimés. Elle comporte notamment des emplacements (ou «slots»), prévus pour accepter différents types de composants. Il y a par exemple un ou plusieurs emplacements prévus pour le(s) processeur(s), pour les barrettes mémoire, et des emplacements génériques pour les périphériques.

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33 Les périphériques sont des composants physiques qui ne font pas partie du cœur d'un ordinateur, mais qui permettent cependant de réaliser les deux autres fonctions de l'ordinateur : la gestion des données et la communication. Les périphériques peuvent se trouver à l'intérieur du boîtier de l'ordinateur (on parle alors de périphériques internes), ou à l'extérieur (ou périphériques externes). Dans les périphériques internes on trouve les cartes réseau ou les cartes graphiques, ils sont même intégrés sur les cartes mères, pour des raisons de coût et de vitesse de transfert des données. Dans les périphériques externes, on trouve tous les éléments qui permettent à l'utilisateur de dialoguer avec un ordinateur (clavier, souris, écran...).

34 À chaque périphérique correspond, au niveau de la carte mère, un élément matériel appelé contrôleur de périphérique, qui permet la connexion au bus approprié, et la transmission des signaux électriques du périphérique et vers les autres composants. Ce contrôleur est accompagné d'un module logiciel appelé pilote (ou «driver», en anglais), qui explique au système d'exploitation comment fonctionne ce périphérique, c'est-à-dire où se trouve son contrôleur et comment échanger des informations avec ce dernier.

35 Il existe deux grands types de périphériques de communication,: La communication avec l'utilisateur qui se trouve en face d'une machine se fait par des périphériques d'entrée/sortie (clavier, souris, écran, imprimante, microphone, hauts parleurs, appareil photo numérique, caméra vidéo...). La communication avec d'autres ordinateurs se fait par des interfaces (intermédiaires): modem (pour modulateur-démodulateur), qui permet de relier un ordinateur à une prise téléphonique, une carte réseau filaire (ou LAN, pour «Local Area Network»), carte réseau sans fil (ou WIFI, pour «Wireless Fidelity»). Ces périphériques peuvent être internes ou externes.

36 Appeler : Périphériques de stockage, dans la mesure où ils permettent d'emmagasiner des données lorsqu'elles ne sont pas utilisées par le microprocesseur ou l ordinateur est éteint. Trois catégories de périphériques de stockage peuvent être distinguées : les mémoires de masse (disque dur), accessibles en lecture et écriture ; les mémoires de stockage (lecteur ou graveur de CD et de DVD, lecteur de bandes magnétiques), uniquement destinés à des archivages durables ; les périphériques de stockage sur supports moins fiables, mais qui permettent de transférer des données d'un ordinateur à un autre (clé USB, lecteur de disquettes).

37 Les processeurs intègrent dans leur puce une mémoire cache accessible très rapidement pour accélérer les opérations. On ajoute également un deuxième niveau de mémoire, placée juste à coté du processeur sur la carte mère, connue sous le nom de cache niveau2 ou L2. Les communications avec le processeur sont plus rapides que celles avec la mémoire car elles ne passent pas par le bus dont la bande passante est bien inférieure au débit du processeur. Lorsqu'une instruction ou une donnée est contenue dans un cache son fonctionnement est accéléré car il n'attend plus son transfert.

38 Le processeur demande simultanément l'information voulue à la mémoire et aux caches. Lorsqu'elle est disponible dans les caches la réponse arrive très rapidement. D où l intérêt de posséder des caches de grande dimension. Idéalement toute la mémoire devrait être un immense cache accessible très rapidement mais cela exploserait le prix des machines. Les superordinateurs comme les Cray, la mémoire est construite avec les dispositifs les plus rapides, identiques à ceux utilisés dans les caches des machines ordinaires. Les performances sont optimales mais le coût est absolument prohibitif! Il faut noter le rôle des registres, ils sont des véritables mémoires internes du processeur. L'utilisateur n'y accède pas directement mais un compilateur sait en tenir compte.

39 Pour pouvoir exécuter un processus, il faut que le programme et les données soient «chargés» en mémoire. Lorsque vous avez plusieurs applications ouvertes en même temps, l ensemble de ces application doivent chargées en mémoire au même temps. Dans le cas où votre ordinateur ne dispose pas d'assez de mémoire pour stocker tous les programmes, le processeur utilise un support de stockage (disque dur) pour enregistrer temporairement les informations dont il ne se sert pas à un moment précis. C est ce qu on appel la mémoire virtuelle. À chaque fois qu'il aura à exécuter une opération dont les informations sont stockées dans cet espace temporaire, il devra donc échanger ces données avec d'autres, situées dans la mémoire. Cette opération prend beaucoup de temps et ralentir l'ordinateur.