Les bases de l'informatique

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1 Les bases de l'informatique Chapitre 1 : La machine 1. Les 3 grandes lignes de pensée L histoire de l informatique débute par l invention de machines (la fonction crée l organe) qui au départ correspondent à des lignes de pensée différentes. L informatique résultera de la fusion des savoirs acquis dans ces domaines. Elle n est pas une synthèse de plusieurs disciplines, mais plutôt une discipline entièrement nouvelle puisant ses racines dans le passé. Seul l effort permanent du génie créatif humain l a rendue accessible au grand public de nos jours.

2 1.1 Les machines à calculer La Pascaline de Pascal, 17ème siècle. Pascal invente la Pascaline, première machine à calculer (addition et soustraction seulement), pour les calculs de son père. La machine multiplicatrice de Leibniz, 17ème siècle. Leibniz améliore la machine de Pascal pour avoir les quatre opérations de base (+,-,*,/). 1.2 Les automates Les automates, les horloges astronomiques, les machines militaires dès le 12ème siècle. 1.3 Les machines programmables Le métier à tisser de Jacquard, Début de commercialisation des machines mécaniques scientifiques (usage militaire en général). Babage invente la première machine analytique programmable. 2. Les générations de matériels On admet généralement que l'ère de l'informatique qui couvre peu de décennies se divise en plusieurs générations essentiellement marquées par des avancées technologiques

3 2.1 Première génération Informatique scientifique et militaire. Il faut résoudre les problèmes des calculs répétitifs. Création de langages avec succès et échecs dans le but de résoudre les problèmes précédents. Technologie lourde (Tube et tore de ferrite), qui pose des problèmes de place et de consommation électrique. Les très grandes nations seules possèdent l outil informatique. 2.2 Deuxième génération Naissance de l informatique de gestion. Nouvelle technologie basée sur le transistor et le circuit imprimé. Le langage Fortran règne en maître incontesté. Le langage de programmation Cobol orienté gestion, devient un concurrent de Fortran. Les nations riches et les très grandes entreprises accèdent à l outil informatique. 2.3 Troisième génération Naissance du circuit intégré. Nouvelle technologie basée sur le transistor et le circuit intégré. Les ordinateurs occupent moins de volume, consomment moins d électricité et sont plus rapides. Lesordinateurs sont utilisés le plus souvent pour des applications de gestion. Les PME et PMI de tous les pays peuvent se procurer des matériels informatiques.

4 2.4 Quatrième génération à partir de 1974 Naissance de la micro-informatique La création des microprocesseurs permet la naissance de la micro-informatique(le micro-ordinateur Micral de R2E est inventé par un français François Gernelle en 1973). Steve Jobs (Apple) invente un nouveau concept vers la fin des années 70 en recopiant et en commercialisant les idées de Xerox parc à travers le MacIntosh et son interface graphique. Un individu peut actuellement acheter son micro-ordinateur dans un supermarché. Nous observons un phénomène fondamental : La démocratisation d une science à travers un outil. L informatique qui à ses débuts était une affaire de spécialistes, est aujourd hui devenue l affaire de tous; d où l importance d une solide formation de tous aux différentes techniques utilisées par la science informatique, car la banalisation d un outil ou d une science a son revers : l assoupissement de l attention envers les inconvénients inhérents à tout progrès technique. Tableau synoptique des générations d ordinateurs :

5 3. L'ordinateur 3.1 Utilité de l ordinateur Un ordinateur est une machine à traiter de l information. L information est fournie sous forme de données traitées par des programmes (exécutés par des ordinateurs). 3.2 Composition minimale d un ordinateur : le coeur Une mémoire Centrale. Une unité de traitement avec son UAL (unité de calcul). Une unité de commande ou contrôle. Une ou plusieurs unités d échanges. Schéma simplifié du coeur de l ordinateur

6 3.3 Autour de l ordinateur : les périphériques Les périphériques sont chargés d effectuer des tâches d entrées et/ou de sortie de l information. En voici quelques uns. Périphériques d entrée Clavier, souris, crayon optique, écran tactile, stylo code barre, carte son, scanner, caméra, etc. Périphériques de sortie Ecran, imprimante, table traçante, carte son, télécopie, modem etc. Périphériques d entrée sortie Mémoire auxiliaire (sert à stocker les données et les programmes): 1. Stockage de masse sur disque dur ou disquette. 2. Bande magnétique sur dérouleur (ancien) ou sur streamer. 3. Mémoire clef USB 4. CD-Rom, DVD, disque magnéto-électrique etc 3.4 Pour relier tout le monde : Les Bus Les Bus représentent dans l ordinateur le système de communication entre ses divers constituants. Ils sont au nombre de trois : le Bus d adresses, la notion d adresse est présentée plus loin) le Bus de données, le Bus de contrôle. o o o Bus d adresses (unidirectionnel) il permet à l unité de commande de transmettre les adresses à rechercher et à stocker. Bus de données (bi-directionnel) sur lequel circulent les instructions ou les données à traiter ou déjà traitées en vue de leur rangement. Bus de contrôle (bi-directionnel) transporte les ordres et les signaux de synchronisation provenant de l unité de commande vers les divers organes de la machine. Il véhicule aussi les divers signaux de réponse des composants.

7 4. Information - informatique 4.1 Les définitions L information est le support formel d un élément de connaissance humaine susceptible d être représentée à l aide de conventions (codages) afin d être conservée, traitée ou communiquée. L informatique est la science du traitement de l information dans les domaines scientifiques, techniques, économiques et sociaux. Une donnée est la représentation d une information sous une forme conventionnelle (codée) destinée à faciliter son traitement. schéma simplifié du traitement de l information 4.2 Critère algorithmique élémentaire Une application courante est justiciable d un traitement informatique si : Il est possible de définir et de décrire parfaitement les données d entrée et les résultats de sortie. Il est possible de décomposer le passage de ces données vers ces résultats en une suite d opérations élémentaires dont chacune peut être exécutée par une machine. Actuellement l informatique intervient dans tous les secteurs d activité de la vie quotidienne : démontrer un théorème (mathématique) faire jouer aux échecs (intelligence artificielle) dépouiller un sondage (économie) gérer un robot industriel (atelier) facturation de produits (entreprise) traduire un texte (linguistique)

8 imagerie médicale (médecine) formation à distance (éducation) Internet (grand public)...etc 5 C'est quoi l'informatique? INFORMATIQUE PROGRAMMATION INFORMATIQUE Ↄ PROGRAMMATION INFORMATIQUE =«Science du traitement automatique de l'information, (tri,transmission, utilisation), mis en oeuvre sur des ordinateurs.»(' Petit Robert) «ordinateurs»? + automate programmable 5.1 C'est quoi un ordinateur? Ordinateur Computer الحاسوب الكمبيوتر = «automate programmable» «Computer» Historiquement : «Calculateur numérique électronique» effectuer des opérations arithmétiques puis : manipulations de symboles (calcul symbolique) et «traitement de l'information» «Ordinateur» Machine électronique de traitement de l'information (1951) Définition : Ordinateur «Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés manipula nt des données sous forme binaire.» (source wikipédia) Premiers «ordinateurs» Pascaline (1642), calculatrice mécanique, horlogerie métiers à tisser Jacquard (1803), Babbage (1835), calcul des tables marines UK Turing (1943), Enigma, décodage msg secrets Von Neumann (1945), ancêtre des machines actuelles programmables Le mot "ordinateur" a été créé en 1955 à la demande d'ibm, et tire son étymologie du terme moyenâgeux "ordonnateur", désignant l'autorité divine suprême... Plus prosaïquement, un ordinateur se définit comme une instance matérielle, concrète, d'une Machine de Turing Universelle. Il est donc capable, dans la limite de ses capacités en espace mémoire (nécessairement finies) et en vitesse de calcul, d'exécuter n'importe quel algorithme qu'on lui fournit sous forme de programme, sur n'importe quelle donnée discrète, qu'on lui fournit également. Il se distingue ainsi fondamentalement d'une simple machine à calculer par sa capacité à enchaîner plusieurs opérations en suivant des instructions paramétrables, permettant la réalisation d'opérations complexes non initialement "câblées". Toute la difficulté de conception d'un ordinateur vient donc de cette nécessité de lui faire exécuter des suites d'opérations, en synchronisant l'action de ses différents composants.

9 5.2 Architecture de Von Neumann (1955) Von Neumann Biographie l homme à l origine de la conception des ordinateurs actuels est John Von Neumann. Von Neumann, né en Hongrie, était un très grand mathématicien, ayant laisse sa trace dans de nombreux domaines, y compris en physique (quantique) et en économie (théorie des jeux). D origine juive, il a émigré aux Etats Unis dans les années En 1935, il a accueilli dans son Université e de Princeton, pour un stage universitaire, un certain Alan Turing. Les deux hommes se connaissaient donc mais n ont jamais pour autant travailler ensemble `a la réalisation d un ordinateur. Pendant la guerre, Von Neumann, a participé au projet «Manhattan», qui a donné lieu à la bombe atomique américaine, en se consacrant particulièrement aux calculs balistiques. Sensibilisé e par cette expérience `a l intérêt des calculateurs automatiques, il a ensuite travaillé avec des ingénieurs `a la conception d un tel calculateur. En 1945, il a écrit `a leur intention un rapport o`u il détaillait les principes qui devaient selon lui présider `a la réalisation d une machine universelle (un ordinateur, donc). Ces principes sont depuis connus sous le nom «d architecture de Von Neumann», et sont ceux encore utilisés de nos jours pour la conception des ordinateurs actuels. dans l'architecture de Von Neumann, les données sont banalisées et peuvent être interprétées indifféremment comme des nombres, des instructions, des valeurs logiques ou tout symbole défini arbitrairement (lettre de l alphabet, par exemple). les principes qui devaient selon lui présider à la réalisation d une machine universelle (un ordinateur, donc). Ces principes sont depuis connus sous le nom «d architecture de Von Neumann», et sont ceux encore utilisées de nos jours pour la conception des ordinateurs actuels. L architecture de Von Neumann décomposait l ordinateur en 4 parties distinctes 1. L unité arithmétique et logique (UAL) ou unité de traitement son rôle est d effectuer les opérations de base, un peu comme le ferait une calculette ;

10 2. L unité de contrôle : c'est l équivalent des doigts qui actionneraient la calculette ; 3. La mémoire qui contient à la fois les données et le programme qui dira à l'unité de contrôle quels calculs faire sur ces données. La mémoire se divise entre mémoire volatile (programmes et données en cours de fonctionnement) et mémoire permanente (programmes et données de base de la machine). 4. Les entrées-sorties : dispositifs qui permettent de communiquer avec le monde extérieur. 5.3 C'est quoi un PC? L'ordinateur personnel Un PC (Personnal Computer) c'est : Une unité centrale : processeur (CPU), mémoire, carte mère......et tout le matériel bas niveau pour que cela tourne (alimentation électrique, ventilateur(s), boîtier,...)

11 des moyens de sauvegarde (ou «mémoire de masse») : disquette, disque dur, CD-ROM, clé USB,... des périphériques d'interaction «de base» : clavier, écran,souris, carte vidéo,... et plein d'autres périphériques : carte son, imprimante, modem, scanner,...

12 5.4 Evolution des ordinateurs Loi de Moore (doublement tous les 2 ans) La loi de Moore, édictée en 1965 par Gordon E. Moore alors employé d'intel, prévoyait que les performances de processeurs doubleraient tous les 12 mois. Cette loi a été révisée en 1975, portant le nombre de mois à 24. La loi de Moore s'applique toujours aujourd'hui. Evolution de la vitesse des processeurs

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14 5.5.1 Carte mère... carte maîtresse, prenant la forme d'un grand circuit imprimé possédant des connecteurs pour le processeur, la mémoire vive, des cartes d'extension. Carte mère ou aussi (en anglais «Main-Board») est une Carte électronique qui permet aux différents composants de communiquer via différents bus de communication On enfiche ces composants sur des connecteurs. Support physique pour le(s) processeur(s), la mémoire et les diverses connexions («bus») vers les périphériques. Caractérisée par : quel(s) type(s) de processeur (nombre, famille, slot, fréquence, voltage) et de mémoire nature des bus et nombre de connecteurs (AGP, (E)IDE, PCI,USB1, USB2,...) Processeur... C est le cerveau de l ordinateur, il contient les différents composants (dont l unit e de calculs, le décodeur d instruction, etc.) Il existe plusieurs catégories de processeur, souvent incompatibles les uns avec les autres (de part leur principe de fonctionnement et/ou leurs instructions) Fait tous les calculs et le contrôle principal de la machine. C'est le CPU de l'architecture Von Neumann Est caractérisée par : le modèle (fabriquant, famille, modèle, packaging) : Intel Pentium IV, AMD Athlon,... mais aussi : single core, dual core (2 ALU dans le même processeur) la fréquence d'horloge interne, c'est-à-dire la vitesse à laquelle sont exécutées les instructions élémentaires typiquement de quelques MHz (vieux «486») à 4 GHz dans les derniers

15 taille de la mémoire cache, c'est-à-dire la mémoire interne au Processeur typiquement de 0 à 1 Mo Mémoire vive... Ce sont la plupart du temps des barrettes qui s enfichent sur la carte mère La taille proposée sur les ordinateurs est en constante augmentation, actuellement de 256 Mo `a 1 Go JUSQUA 8 GO Assure le stockage à court terme des instructions à exécuter, ainsi que des données. Est caractérisé par : capacité : une (ou plusieurs) barrettes de 8 à 1 Go type, packaging : SIMM : EDO/FPM, 30 à 72 pins, DIMM : SDRAM/RDRAM, 168 ou 184 pins, RIMM, DDR,... cadence du bus associé (33,..., 100, 133, 266 MHz,...)

16 5.5.3 Carte d extension... Permet d ajouter des fonctionnalités (souvent de communication) comme par exemple les cartes graphiques, son, modem, usb, etc. Dans le PC et Mac, il existe aujourd hui deux grandes catégories de carte qui se différencient par le bus utilise : PCI et AGP Mémoire de masse disque dur («hdd»), disquette («fdd»), cdrom, clé USB,... utile pour garder de l'information à long terme (vos fichiers, mais aussi le système d'exploitation!) Ce qu'il faut regarder : capacité : 1.44 Mo, 40 Go,... mais aussi le taux de transfert (débit) et le temps d'accès (e.g.8.5 ms) On considère deux catégories de mémoires de masse : mémoire de travail : accès assez rapide (quelques mili-secondes), débit important (quelques Mo/s), taille moyennement important (de quelques Mo a quelques centaines de Go) Disque dur, Cl e USB, etc. mémoire de sauvegarde : accès plus lent (peut dépasser la minute)mais capacité plus grande (plusieurs Tera) et beaucoup moins chère Bande magnétique, CD-ROM, DVD-ROM, etc.

17 5.5.5 Périphériques (quelques uns) Carte Vidéo : interface entre le processeur et l'écran, offre une zone mémoire dédiée et effectuant des calculs (e.g. rendus 3D) à la place du processeur : c'est un vrai ordinateur dans l'ordinateur. Ce qu'il faut regarder : taille mémoire (2Mo.512Mo) => résolution x couleurs c'est elle qui va vous la résolution maximale utilisable possible (qui devra bien sur être compatible avec celle de votre écran!) et le nombre de couleurs maximal pour une résolution donnée type de bus : PCI ou AGP (combien de fois : e.g. AGP 2x) jeux d'instructions spécialisées 2D, 3D Ports d'entrées/sorties «Port» (ou «bus») d'entrée/sortie : moyen de communication entre le «coeur» de l'ordinateur et ses périphériques Plusieurs types de ports : Port série : Très longtemps utilisé, car simple à mettre en oeuvre, et possibilité d'utiliser des câbles longs sans que ça ne perturbe la transmission. Ordre de grandeur du débit : 9'600 à 115'200 bits/s Port parallèle : Utilisé pour transmettre les données plus rapidement que via une ligne série mais à plus courte distance (e.g.l'imprimante juste à coté du PC) Unidirectionnel dans sa version originelle Port SCSI (Small Computer System Interface) : bus utilisé comme interface standard entre ordinateur et périphériques (max 8) Débit : SCSI-1 : débit de 4 Mo/s, SCSI-2 : débit de 10 à 40 Mo/s Port PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) : principalement sur les portables pour périphérique au format «carte de crédit» (68 broches) Port USB (Universal Serial Bus) : C'est un nouveau port série universel chargé de reconnaître automatiquement (et de gérer) des périphériques externes qui n'ont pas besoin d'un débit élevé e.g. claviers, souris, joysticks, scanners, imprimantes, téléphone numérique, haut-parleurs,...). Débit : version 1.1 : 12 Mb/s (i.e. 1.5 Mo/s)version 2.0 : 480 Mb/s (i.e. 60 Mo/s) Port Firewire :Pour caméras numériques et périphériques externes nécessitant une large bande passante (disques durs, graveurs de CDs) Débit : 400 Mb/s ou 800 Mb/s

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19 5.6 Logiciels -Software- La partie "logicielle" d'un ordinateur est constituée de l'ensemble des codes stockés dans sa mémoire, et plus particulièrement de ses programmes. Mais, depuis les débuts de l'informatique, les codes se sont superposées les uns sur les autres, constituant ce qu'on appelle des couches logicielles. Nous allons essayer ici de démêler ces couches. On parle d applications et de programmes. Un programme est constitué d une suite d instructions (ou ordres) exécutées pour accomplir une tâche particulières. Un logiciel (ou une application) est un ensemble de programmes qui coopèrent afin de réaliser un objectif bien précis. Pour être actif un programme (ou un logiciel) doit être résident en mémoire principale (RAM). 5.7 Les différents types de programme... Lorsque l on utilise un ordinateur, on utilise en fait un programme Dés le démarrage plusieurs programmes sont automatiquement exécutes Ils ne sont pas tous égaux, on distingue 3 catégories : 1) BIOS 2) Système d exploitation 3) Programmes utilisateurs Le BIOS (Basic Input/Output System)... C est le premier programme qui s exécute lors du démarrage de l ordinateur Il identifie les différents composants de la machine et vérifie leur bon fonctionnement Il permet `a l utilisateur de configurer certains périphériques Il propose (au système d exploitation) des fonctions bas niveau pour utiliser ces périphériques Il ne peut pas être remplace (on peut toutefois le faire évoluer)

20 5.7.2 Le Système d Exploitation (SE)... Système d Exploitation (Operating System)) Le système d exploitation (SE) est le logiciel de base de tous les systèmes informatiques : Le SE sert d'intermédiaire entre l utilisateur et la machine,sans lui la machine pourrait rien faire et, surtout, sans lui les logiciels d application ne pourraient s exécuter. But visé est de rendre les machines plus faciles à utiliser et par conséquent la tâche de l utilisateur moins fastidieuse. C est le second programme à être exécute, c est le chef d orchestre, c est lui qui détermine : quel programme utilisateur va être exécute comment repartir la mémoire entre les différents programmes comment lire/enregistrer les données sur les mémoires de masse les droits de chaque utilisateur du systeme Les critères d un bon SE sont : la fiabilité la sécurité l homogénéité la portabilité Les plus connus sont : Windows, Mac-OS, Linux, Free-BSD, Sun Solaris, etc. Les fonctions d un SE Fournir une interface entre l'ordinateur et l'utilisateur pour permettre de donner des ordres à la machine (lancer une impression,...); interface textuelle; interface semi-graphique; interface graphique.gérer les ressources de l'ordinateur (mémoires, processeur,périphériques, ) ;Gérer l organisation du stockage de l information sur les mémoires secondaires par l intermédiaire de son système de gestion de disques. Le système de gestion des disques d un SE Organise les informations (c-à-d les données et les programmes) en deux niveaux : Niveau physique : décrit comment l information sera organisée sur les supports de stockages.ce niveau est géré par le SE. Niveau logique : décrit comment ces informations seront manipulées par l utilisateur. Ce niveau rend le niveau physique transparent. a) Organisation logique : Pour faciliter aux utilisateurs les actions de stockage, d identification et de la recherche des informations sur les mémoires de masse, les systèmes d exploitations utilisent deux notions (ou entités ) : Fichier. Dossier (ou répertoire)

21 1. Fichier. Les informations sont rangées dans des fichiers, un fichier peut servir à mémoriser un texte, une image, mais aussi un programme Un fichier est identifié par un nomqui lui est attribué par l utilisateur et qui a la forme suivante : nom_du_fichier.extension l extension sert à regrouper les fichiers de même nature Exemples : SMIA-S doc est un fichier document créé par Word. 2. Les dossiers (ou répertoires), Permettent de ranger soit des fichiers, soit d'autres dossiers (ils peuvent aussi rester vides). Les dossiers sont structurés de façon arborescente. Dans un tel arbre, les fichiers ne peuvent figurer qu'au niveau des feuilles. Le premier niveau de cette arborescence est appelé «répertoire racine». On peut y créer d autres répertoires contenant des sous-répertoires et/ou des fichiers. Dans une telle organisation, on peut se déplacer de deux façons : Par un chemin absolu (en partant de la racine) Par un chemin relatif (en partant du répertoire dit«courant») C'est le SE (SGF) qui gère toute cette organisation : il permet par exemple d'ajouter, de déplacer, de supprimer, de recopier... tout dossier ou fichier. b)types de SE SE mono-tâches : exécute une tâche à la fois

22 SE multi-tâches : exécute plusieurs tâches simultanément (partage du temps processeur) SE mono-utilisateur : un utilisateur peut utiliser les ressources de la machine à la fois SE multi-utilisateurs : possibilité de servir plusieurs utilisateurs. Exemples de SE MS-DOS : mono-tâche mono-utilisateur Windows 98/2000/XP ; MacOS : multi-tâches monoutilisateur Windows NT/2OOO servers ; Unix/Linux :multi-tâches multi-utilisateurs Positionnement des logiciels

23 5.7.3 Les programmes utilisateurs... Ce sont les programmes qui sont lancées par l utilisateur comme par exemple : éditeur de texte traitement de texte compilateur interface graphique Suivant les SE, ces programmes ont plus ou moins de libertés On parle d applications et de programmes. Un programme est constitué d une suite d instructions (ou ordres) exécutées pour accomplir une tâche particulières. Un logiciel (ou une application) est un ensemble de programmes qui coopèrent afin de réaliser un objectif bien précis. Pour être actif un programme (ou un logiciel) doit être résident en mémoire principale (RAM). Classification des logiciels: Les logiciels sont classés en 3 catégories : Les langages de programmation Les logiciels d applications a)langages de programmation Un langage de programmation permet d exprimer les indications nécessaires aux traitement, de concevoir et de rédiger les programmes souhaités. Ce sont des logiciels qui permettent de produire d autres logiciels Exemples : Programmation procédurale : Pascal, C, Visual Basic,.

24 Programmation logique : Lisp, Prolog,. Programmation Scientifique : Matlab, Maple Un langage de programmation permet d exprimer les indications nécessaires aux traitements, de concevoir et de rédiger les programmes souhaités. b)les logiciels d applications Ce sont des logiciels destinés à des utilisateurs non informaticiens (on peut les utiliser directement Exemples : Traitement de textes, Tableurs, Jeux,... WORD et EXPLORATEUR WINDOWS Pilotes ou Drivers en anglais) Appelés aussi gestionnaires de périphériques Se sont des informations à installer et qui permettent au SE d utiliser (ou d exploiter) les périphériques (imprimantes, scanners, lecteurs etc..) issus des constructeurs différents. Ils sont développés par les fabricants de périphériques. Chaque périphérique est vendu avec son driver. On peut aussi trouver les drivers sur l Internet ou avec les SE. N'importe quel périphérique (ex disque dur), a besoin de driver pour fonctionner. Au démarrage de l'ordinateur, c'est le BIOS qui permet aux composants vitaux (carte vidéo, disque dur, lecteur de disquettes, clavier) de démarrer grâce à des pilotes standards. Une fois le SE démarré, celui-ci reprend le contrôle.composants.