Informatique : matériel, systèmes et logiciels

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1 François Rousselle Objectif du cours : Étude du fonctionnement de l ordinateur Enseignement technique : représentation et codage des nombres fonctionnement de chaque partie de l ordinateur : processeur mémoire périphériques système de base (BIOS) système d exploitation configuration logicielle 4 cours en amphi Présentation pdf mise à disposition sur le réseau Évaluation par QCM Architecture des ordinateurs 2 Historique de l informatique agrémenté de quelques «phrases célèbres» en rouge Références : «Préhistoire et histoire des ordinateurs» de Robert Ligonnière, Robert Laffont, (offline...) (offline...) Architecture des ordinateurs 3 Du manuel à la mécanique -500 : premiers outils de calcul, l abaque et le boulier -300 : Aristote définit la logique : J. Napier invente les logarithmes + nombres décimaux + techniques de multiplication et division (bâtons de Napier) 1623 : Cylindres de Schickard ( + idée d utiliser des roues dentelées) 1673 : Disques de Morland 1624 : Schickard esquisse la première calculatrice 1642 : Blaise Pascal invente la pascaline Architecture des ordinateurs 4 Architecture des ordinateurs 5 Architecture des ordinateurs 6 1

2 1694 : machine de Leibniz (multiplication et division) 1820 : C.X. Thomas invente l arithmomètre (6 à 20 chiffres) exemplaires vendus de 1823 à 1878 Architecture des ordinateurs 7 Architecture des ordinateurs 8 Architecture des ordinateurs : C. Herzstark invente la Curta Curta I : exemplaires vendus de 1947 à 1970 Curta II : exemplaires vendus de 1954 à 1970 De la mécanique à l électromécanique 1833 : Babbage imagine une machine analytique contenant les concepts d unité de calcul, mémoire et entrée des données par carte perforée 1854 : Boole démontre que tout processus logique est décomposable en une suite d opérations logiques (ET, OU, NON) appliquées sur 2 états (0-1, V-F,...) 1884 : H. Hollerith crée une tabulatrice à cartes perforées pour faire traiter le recensement américain de 1890, c est la 1 ière machine à traiter l information 1840 : Ada Lovelace, collaboratrice de Babbage définit le principe d itérations successive dans l exécution d une opération et nomme ce processus algorithme en l honneur du mathématicien arabe Al Khowarizmi Architecture des ordinateurs 10 Architecture des ordinateurs 11 Architecture des ordinateurs 12 2

3 1896 : H. Hollerith crée la firme Tabulating Machine Corporation 1924 : Tabulating Machine Corporation est renommée International Business Machine 1938 : Shannon fait le parallèle entre circuit électrique et algèbre booléenne. Il définit le chiffre binaire : bit (BInary digit) 1938 : K. Zuse crée le Z1, ordinateur binaire programmable mécanique! 1941 : J. Atanasoff et C. Berry créent le 1 er calculateur binaire basé sur l algèbre de Boole. L ABC est considéré comme le premier ordinateur mais son programme n est pas stocké en mémoire 1937 : A.M. Turing résout des problèmes mathématiques à l aide d une bande de papier, de pions et d un trombone! C est la machine de Turing 1939 : Z2, une partie de la mécanique est remplacée par des relais téléphoniques 1941 : Z3, premier calculateur avec programme enregistré. Mémoire : 64 nombres de 22 bits, puissance : 4 +/s ou 1 x en 4s 1943 : H. Aiken crée le Mark I calculateur électromécanique (3000 relais, 800km de câbles) dont le fonctionnement est proche de la machine de Babbage Architecture des ordinateurs 13 Architecture des ordinateurs 14 Architecture des ordinateurs : Thomas Watson, IBM : «Je pense qu il y a un marché mondial pour au moins 5 ordinateurs.» 1945 : un insecte coincé dans la Mark I bloque son fonctionnement. La mathématicienne G.M. Hopper décide que tout ce qui arrêtera le bon fonctionnement d un programme s appellera BUG : J. Von Neuman travaillant sur le projet ENIAC définit ce que devrait être un ordinateur à programme enregistré : architecture de Von Neuman L ère de l électronique 1946 : P. Eckert et J. Mauchly créent l ENIAC. Particularités : tubes, 30 tonnes, 72 m 2, 140 KW, 100 khz, 330 x/s 1949 : revue Popular Mechanics : «Alors que le calculateur ENIAC est équipé de tubes à vide et pèse 30 tonnes, les futurs ordinateurs de l an 2000 ne devraient avoir que 1000 tubes à vide et ne peser que 1,5 tonnes.» 1950 : M.V. Wilkes invente l assembleur (avant on programmait en binaire) 1951 : G.M. Hopper invente le premier compilateur A0 générant un programme binaire à partir d un code source 1953 : invention de la mémoire à tores de ferrite Architecture des ordinateurs 16 Architecture des ordinateurs 17 Architecture des ordinateurs 18 3

4 1956 : TRADIC le premier ordinateur à transistors par Bell amorce la seconde génération d ordinateurs 1956 : 1 er disque dur, le RAMAC 305 par IBM (50 disques de 61 cm - 5 Mo) 1958 : 1er ordinateur commercial entièrement transistorisé par S. Cray 1958 : 1 er circuit intégré par Texas Instruments 1958 : 1 er modem par Bell 1958 : 1 er jeu vidéo (très similaire au jeu pong par Atari en 1972) 1965 : G. Moore écrit que la densité des circuits intégrés doublera tous les 18 mois (loi de Moore) 1966 : première console de jeux vidéo, la Magnavox Odyssey I Architecture des ordinateurs 19 Architecture des ordinateurs 20 Architecture des ordinateurs : plans de l ARPANET (ancêtre de l internet) 1967 : premier lecteur de disquettes par IBM 1968 : HP présente sa première calculatrice de bureau programmable, la HP 9100 (20 kg, 5000 $) 1971 : Intel vend le premier microprocesseur : Intel 4004 (4 bits, 108 khz, 200$) 1972 : R. Tomlinson crée un logiciel de courrier électronique pour ARPANET 1972 : B. Gates et P. Allen fondent la compagnie Traf-O-Data 1975 : Traf-O-Data devient Micro-Soft 1976 : S. Jobs et S. Wozniak créent l Apple Computer et fondent Apple 1971 : Apparition de l ordinateur Kenback-1 pour 750$ en kit! 1969 : naissance d Unix grâce à K. Thompson et B. Kernighan 1977 : Ken Olson, DEC : «Il n y a aucune raison pour que tout le monde veuille un ordinateur à la maison» Architecture des ordinateurs 22 Architecture des ordinateurs 23 Architecture des ordinateurs 24 4

5 Avril 1981 : Xerox vend le Star Caractéristiques : Ram 1 Mo, DD 8 Mo, interface Ethernet, interface graphique, souris 2 boutons, Drag&Drop, copiercoller, menus contextuels, tableur, traitement de texte WYSIWYG, et messagerie électronique. Problème : $ Il faudra 10 ans à Apple et 15 ans à Microsoft pour faire aussi bien! Août 1981 : IBM lance le 5150 Personal Computer. Caractéristiques : RAM 640Ko, lecteur de disquettes 5 25, système PC-DOS 1.0 pour $ (version CGA 16 couleurs pour 6000 $). Windows 1.0 sortira en novembre Il n apporte rien de nouveau et pourtant... Janvier 1983 : Apple lance le Lisa. Caractéristiques : µp à 5Mhz, 1 Mo RAM, 2 Mo ROM, écran graphique x364, 2 x 5 25, DD 5 Mo avec interface graphique et souris $ Janvier 1984 : Apple lance le Macintosh. Caractéristiques : µp à 8Mhz, 128Ko RAM, 64 Ko ROM, 3 50, écran N&B 9 512x384 avec interface graphique et souris $ Architecture des ordinateurs : Bill Gates, Microsoft : «640Ko devrait être suffisant pour tout le monde.» Architecture des ordinateurs 26 Loi de Wirth : «Les deviennent plus lents de manière plus rapide que le matériel ne devient plus rapide.» Architecture des ordinateurs 27 Historique de l informatique 1 Principes fondamentaux Tous les ordinateurs sont fondés sur les mêmes principes de base : programmes / données processeur / mémoire / périphériques informations codées en binaire traitements effectués en binaire Un processeur est un élément qui exécute des traitements. Les traitements à exécuter sont indiqués par les instructions du programme exécuté. Les traitements s appliquent sur des données et fournissent également des résultats. La mémoire centrale contient les programmes exécutés par le processeur ainsi que les données du programme et ses résultats. FIN Pourquoi la base 2? Simple générale Programme Données Processeur Depuis l ENIAC, seule la technologie a changée : lampe à vide - transistor - circuit intégré - microprocesseur d où : plus rapide, plus petit, moins gourmand, plus fiable, moins coûteux Mémoire Résultats Architecture des ordinateurs 28 Architecture des ordinateurs 29 Architecture des ordinateurs 30 5

6 Représentation des nombres Utilisation d'une base quelconque et changement de base Un nombre N en base B s'écrit : Exemples : N B = a n a n-1 a n-2 a 1 a 0 avec 0 a i B-1 base 10 (décimal) : ai 9 base 2 (binaire) : a i 1 base 16 (hexadécimal) : 3A5E8F 16 0 a i F chiffres hexadécimaux : A B C D E F Architecture des ordinateurs 31 Pour trouver la valeur décimale d'un nombre en base B : Exemples : N 10 =a n B n + a n-1 B n a 2 B 2 + a 1 B 1 + a = = = DB 16 = = Représentation des nombres binaires non signés n bits permettent de représenter 2 n valeurs différentes, donc les nombres entiers positifs de 0 à 2 n -1. Exemple : sur 8 bits on peut représenter 2 8 = 256 valeurs différentes donc les entiers de 0 à 255 ( à ). Architecture des ordinateurs 32 Passage de la base 10 vers la base 2 (binaire) Méthode par décomposition directe en puissances de 2 : Méthode des divisions successives : On procède par divisions par 2 successives jusqu à obtenir 1 Le nombre binaire résultant est ce dernier 1 suivi de tous les restes des divisions précédentes en remontant Exemple : 28 = = = = Architecture des ordinateurs 33 Représentation des nombres binaires signés Pour représenter des nombres entiers positifs et négatifs, on utilise la représentation en complément à deux. Pour un nombre entier positif, c est sa représentation en base 2. Pour un nombre entier négatif, on obtient sa représentation en 3 étapes : étape 1 : calculer la représentation binaire de sa valeur absolue étape 2 : complémenter tous les bits (0 1, 1 0) étape 3 : ajouter 1 (additionner 1 au nombre obtenu) Exemples : -23 sur 8 bits? étape 1 : étape 2 : étape 3 : sur 8 bits? étape 1 : étape 2 : étape 3 : Avec n bits on représentent les nombres entiers de -2 n-1 à 2 n-1-1. Exemple : avec 8 bits les nombres iront de -128 à Représentation des nombres réels : cas du codage 32bits Utilisation de la notation scientifique (exemple : 0, x ) Les nombres réels sont normalisés en binaire sous la forme 1, * 2 n le 1er bit code le signe (0 pour + et 1 pour -) les 8 bits suivants codent l exposant les 23 derniers bits codent la partie fractionnaire du nombre (après la virgule) appelée la mantisse seeeeeeeemmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm Architecture des ordinateurs 34 Architecture des ordinateurs 35 Architecture des ordinateurs 36 6

7 Unités de stockage unité de base : le bit (0 ou 1) unité usuelle : l'octet (1 octet = 8 bits) kibioctet : 1 kio = 1024 octets mébioctet : 1 Mio = 1024 Kio gibioctet : 1 Gio = 1024 Mio tébioctet : 1 Tio = 1024 Gio Unités de fréquence unité de base : le Hertz 1 Hz = 1 fois par seconde 1 khz = fois par seconde 1 MHz = fois par seconde 1 GHz = fois par seconde 2 Matériel pébioctet : 1 Pio = 1024 Tio Attention, norme commerciale = norme SI en puissance de 10 : 1 ko = 1000 octets, 1 Mo = 1000 ko, 1 Go = 1000 Mo, D où les mauvaises surprises après le formatage d un disque dur de 500 Go qui ne fait que 466 Gio une fois formaté La fréquence de fonctionnement d un ordinateur est fixée par une horloge A cette fréquence de base est appliquée un multiplicateur en fonction de la fréquence voulue pour chaque composant (processeur, mémoire, ) L ordinateur possède également une horloge temps réel (RTC) pour l heure Architecture des ordinateurs 37 Architecture des ordinateurs Composants d un micro-ordinateur un ou plusieurs µp mémoire RAM mémoire ROM (bios) + RAM (cmos) circuits gérant les communications ensemble de bus horloges (bus, cpu) + temps réel (RTC) connecteurs (µp, mémoire, cartes ) ports d E/S (série, parallèle, USB, IR, ) périphériques internes (cartes, DD, ) + alimentation + boîtier = unité centrale (UC) périphériques externes (moniteur, clavier, souris, imprimante, scanner, ) Détail d une unité centrale Composants d un micro-ordinateur un ou plusieurs µp mémoire RAM mémoire ROM (bios) + RAM (cmos) circuits gérant les communications ensemble de bus horloges (bus, cpu) + temps réel (RTC) connecteurs (µp, mémoire, cartes ) ports d E/S (série, parallèle, USB, IR, ) périphériques internes (cartes, DD, ) carte mère + alimentation + boîtier = unité centrale (UC) périphériques externes (moniteur, clavier, souris, imprimante, scanner, )

8 Le processeur Fonctionnement de base d un processeur En 1945 J. Von Neumann ( ) définit les bases de l architecture des calculateurs modernes. Instruction Une instruction est un ordre élémentaire exécutable par un microprocesseur donné (en un certain nombre de cycle d horloge). Jeu d instruction Ces instructions sont spécifique à un microprocesseur et leur nombre est limité. Leur ensemble constitue le jeu d instruction du microprocesseur. Programme Un programme est une liste de codes-instructions implantés en mémoire et permettant de résoudre un problème prédéterminé. Principe général de fonctionnement du modèle de Von Neumann Pour exécuter un programme, le microprocesseur effectue cycliquement : lecture d un code d instruction en mémoire reconnaissance de ce code, ou décodage exécution d un ordre élémentaire positionnement sur le code de l instruction suivante du programme Ce cycle et toutes les actions qui en découlent sont contrôlés par l unité de commande du processeur Évolution des microprocesseurs Loi de Moore : loi empirique énoncée par Gordon Moore (co-fondateur d'intel) en 1965 qui prédit que le nombre de transistors intégrés sur une surface donnée double tous les 18 mois. Le niveau d'intégration est dépendant de la taille de gravure du silicium Pourquoi graver plus finement? P4, Athlon64 90nm P4, Core 2 duo et quad, Phenom 65nm Core 2 quad, i5, i7, Phenom II 45nm i7 32nm nm Diminuer la chaleur dissipée Augmenter la fréquence de fonctionnement Registres internes Un registre est un circuit pouvant contenir 1 mot mémoire (nb ou caractère) La taille des registres correspond à la taille des mots traités par le µp La taille de mots standards traités définit le type de processeur actuellement : microprocesseurs 32 bits ou 64 bits Calculs précis = 32 bits minimum : précision de 9 chiffres décimaux 64 bits : précision de 19 chiffres décimaux Les µp actuels incluent quelques registres de 128 bits (3Dnow!, SSE2/3/4) but : faire plusieurs calculs simultanément (4 en 32 bits ou 2 en 64 bits) Bus de communication (32, 64, 128 fils pour transmettre un mot en 1 fois) Bus plus larges et fréquences + élevées pour les communications µp mémoire centrale Récemment : remplacement par des communications séries très rapides

9 Vitesse de l horloge Le travail du microprocesseur est cadencé par le rythme de l horloge de la carte mère (principal circuit imprimé accueillant le µp, la mémoire, etc.) auquel est appliqué un multiplicateur La fréquence ne donne qu une idée très approximative de la vitesse de travail du µprocesseur car le temps d exécution d une même instruction varie d un µp à l autre Mémoires caches Permettent d atténuer les cycles d attentes dus aux accès mémoire = mémoire de petite taille mais bcp plus rapide qu la mémoire centrale Différents niveaux de cache entre le µp et la mémoire centrale : niveau 1 (L1) : toujours interne au µp (même fréquence) niveaux 2 et 3 (L2, L3) : interne ou externe au µp (fréquence moindre) Pipeline L idée du pipeline est de découper une opération en opérations élémentaires appelées étages, de façon à pouvoir traiter plusieurs opérations simultanément pipeline = principe de la chaîne de montage : la cadence de traitement des instructions est imposée par l étage le plus lent Exemple : pipeline à 3 étages instant t instant t+1 instant t+2 chargement instruction 1 chargement instruction 2 chargement instruction 3 décodage décodage instruction 1 décodage instruction 2 exécution exécution exécution instruction 1 Parallélisme Multiplier le nombre d unités fonctionnelles pour effectuer plusieurs traitements simultanément : plusieurs UAL, plusieurs décodeurs d instruction µp multi-cœurs = plusieurs µp dans une puce 2005 : 2 cœurs (Athlon64 X2, Pentium D) 2006 : 2 et 4 cœurs (Core 2 duo, Core 2 quad) + prototype Intel 80 cœurs de calcul 2007 : 4 cœurs (Phenom) 2010 : 6 cœurs (i7, Phenom II X6) 8 cœurs (Xeon) 2011 : 8 cœurs 2012 : 50 coeurs Benchs de quelques µp grand public à l'aide de Spec CPU2006 La mémoire Références (en français) / arstechnica.com (en français) (en français)

10 La mémoire C est un ensemble de registres dotés d'une structure d'accès. Un registre est une zone mémoire pouvant contenir un unique mot mémoire : nombre ou caractère Capacité La capacité d'une mémoire est le nombre de bits que l'on peut mémoriser dans cette mémoire. Temps d'accès Le temps d'accès mémoire est le délai qui s'écoule entre une requête de lecture et la disponibilité de l'information correspondante. Types de mémoire Un premier mode de classification des mémoires peut se faire selon la structure d'accès dont elles sont dotées. Il existe 3 familles de structures : mémoires séquentielles (à bande magnétique) mémoires adressables (mémoire centrale,...) mémoires associatives (mémoire cache) ROM / RAM ROM (Read Only Memory) ou MEM (Mémoire Morte) : mémoire à lecture seule RAM (Random Access Memory) ou MEV (Mémoire Vive) : mémoire à accès aléatoire (lecture / écriture) Les mémoires RAM sont dites «volatiles» car l information stockée disparaît lorsque l on coupe l alimentation, au contraire des mémoires ROM qui sont non volatiles. Parmi les nombreux types de mémoires adressables ROM on peut distinguer l EEPROM effaçable électriquement par bloc, plus communément appelée mémoire flash Carte mère principal circuit imprimé de l ordinateur permet d inter-connecter tous les éléments de l ordinateur contient le bus système, un ensemble de connecteurs et de ports d E/S et un ensemble de contrôleurs propage les fréquences multiples ou sous-multiples de son horloge aux différents composants Connecteurs CPU (de type socket) Sockets 775, 478 et 1156 Athlon64 socket 754 (PGA) Pentium 4 socket 478 (PGA) Pentium 4 Core 2 duo socket 775 (LGA)

11 Socket 775 : Connecteurs mémoire connecteurs DIMM : Mémoire SDRAM > bits 168/184/208 broches Capacité : jusqu à 8Go Temps de latence : env. 10ns barette DIMM 64 bits (Double Inline Memory Module) 168 broches - SDRAM détrompeurs Connecteurs cartes d extension (slots) connecteurs PCI : 32 bits puis 64 bits Débit : 132 Mo/s 184 broches DDR-SDRAM, DDR2-SDRAM, DDR3-SDRAM 208 broches - QBM connecteursagp (Accelerated Graphic Port) : 64 bits puis 128 bits Débit : 2Go/s (8X) Liaison directe avec la mémoire centrale

12 connecteurs PCI Express (PCIe) : Liaison série 1 à 32 lignes Débit : 250Mo/s (1X) Connecteurs périphériques de stockage Connecteurs périphériques de stockage connecteur de disquettes : connecteur IDE ou PATA (ParallelATA) : connecteur SCSI : env. 4Go/s (16X) connecteur SATA (SerialATA) : Connecteurs d alimentation Connecteurs d alimentation Connecteurs d entrées/sorties connecteurs carte mère : + connecteur de disquettes et petits périphériques : connecteur MOLEX périphériques stockage et divers : connecteur alimentation SATA connecteur ventilateur :

13 Une grande partie des connecteurs sont regroupés sur un bloc directement accessible depuis l extérieur du boîtier : Chipset : ensemble de circuits gérant tout les échanges d information Chipset généralement 2 circuits, mais quelquefois 1 seul (Nvidia) contrôlent les différentes communications des éléments de la carte mère parallèle : imprimante, stockage externe, PS2 : souris PS2 : clavier série : clavier, souris, réseau, IEEE 1394 (Firewire) : tous périph. + réseau VGA : écran, vidéoprojecteur RJ45 : réseau audio USB : tous périphériques incorporent des fonctionnalités supplémentaires remplacant certains périphériques en particulier : µp / mémoire mémoire / AGP ou PCIe 16X µp / AGP ou PCIe 16X bus ISA, PCI PCI Express IDE, SCSI USB, Firewire graphique 3D, réseau, modem, audio, north bridge dédié à une famille de µp south bridge 75 Entrées/sorties et interfaces Un périphérique est un système matériel qui permet d introduire (ou d extraire) des données dans (ou de) l ordinateur Composition d un périphérique : partie «active» qui effectue les opérations (mémoriser des données, afficher, imprimer ) connexion qui relie la partie active à l ordinateur (µp) via les bus et circuits d E/S qui gèrent différentes interfaces Problèmes : périphériques conçus indépendamment des ordinateurs connecter le + de périphériques différents 76 Il existe 2 types d interfaces : dédiée : une interface par périphérique + : simple à concevoir - : multiplie de nombre d interfaces dans l ordinateur générique : une interface indépendante du périphérique + : une seule interface dans l ordinateur - : norme, problèmes de vitesse, Actuellement : dédié + générique + compromis entre les 2 interface dédiée à certains périphériques : clavier, souris (PS/2), disquettes interface dédiée à des groupes de périphériques : unités de stockage IDE/PATA, SATA, SCSI, SAS interface générique pour les autres périphériques : PCI, PCIe, PCI-X interface totalement générique : USB, Firewire (IEEE 1394) 77 Liaison série et liaison parallèle Liaison parallèle : 1 fil par bit (0 ou 1) contient souvent de 32 à 256 fils Avantage : envoie plusieurs bits en une seule fois Inconvénients : difficile à mettre en œuvre (nombreux fils) fréquence peu élevée à cause des interférences distance de communication de + en + courte quand la fréquence Liaison série : 1 fil pour envoyer, 1 fil pour recevoir + qques fils contrôle Avantages : simple à mettre en œuvre peu d interférences : grande longueur de câble possible très grandes fréquences Avant : toutes les fréquences étaient faibles donc bcp de liaisons parallèles Maintenant : fréquences très élevées donc beaucoup de liaisons séries 78 13

14 Liaisons parallèles sur le PC (à l origine) : stockage : disquette, IDE/PATA et SCSI 50cm va disparaître PCI, PCI-X limité à environ 20-30cm presque disparu µp / mémoire bus de donnée, bus d adresse en dehors du µp bus de donnée, bus d adresse dans le µp Liaisons série sur le PC : port PS/2 (clavier, souris) va disparaître port série (port RS232) va disparaître USB, IEEE 1394 (Firewire) : remplacent les ports RS232, PS/2, SATA, esata : remplace le PATA pour les périph. de stockage PCI Express : remplace le bus ISA, PCI, PCI-X et le portagp entre µp et mémoire pour l Athlon64 et le nouveau Intel i7 Exemple détaillé : PCI Express (PCIe) Remplace les nombreux fils du bus PCI par 4 fils par ligne PCIe Les lignes PCIe sont bi-directionnelles : communication synchrone simultanée dans les 2 sens Plusieurs lignes peuvent être utilisées simultanément pour multiplier le débit Périphériques standards : 1 ligne PCIe Nb lignes / périph. configurable à la construction de la carte mère : 1 à 32 Cartes graphiques : 16 lignes PCIe plusieurs cartes graphiques possible (4 ou 8 lignes) Détail d une carte mère Classification des périphériques 4.2 Mémoires de masse lecteur CDROM, DVDROM graveur CDR, CDRW, DVDRAM, DVDR, DVDRW mémoires disque dur, disque SSD, lecteur de disquettes, zip de masse streamer, dat, clé usb lecteur de carte magnétique, de carte à puce clavier, souris carte réseau, modem imprimante, scanner carte graphique, moniteur, projecteur, data-show, écran tactile carte d acquisition, de montage vidéo, caméra, appareil photo numérique carte son, micro, enceintes périphériques MIDI (synthétiseur, boîte à rythme, ) joystick, casque 3D, gants 3D onduleur clef électronique, système de protection de données périphériques d authentification (vocal, empreinte, ) périphériques d E/S La fonction des mémoires de masse est de conserver durablement les informations sur des supports magnétiques (disquette, disques dur, bande magnétique, ) ou non (CDROM, DVD, ) Lecteur de disquette (floppy disk) Périphérique interne ou externe Une disquette est un support de données magnétique, souple ou rigide, de taille et de densité variées C est le support de stockage le plus connu de la micro-informatique car il a été longtemps le seul disponible facilement Dernier format existant : 3 1/2 de capacité de 720Ko, 1,44Mo et 2,88Mo Interface : dédiée ou USB

15 Schéma d une disquette 3 1/2 : Schéma interne du lecteur : Structure physique d une disquette (ou d un disque dur) : division en pistes circulaires puis chaque piste en secteurs (512octets en général) Cette structure est créée lors du formatage physique de la disquette Le formatage logique est effectué après le formatage physique Il permet de réserver les premiers secteurs pour y stocker des programmes ou des informations systèmes : système de fichiers Plusieurs systèmes de fichiers existants : FAT, FAT32, NTFS, ext3, Disque dur (hard disk) Un disque dur est composé d un certain nombre de plateaux rigides fixés sur un même axe de rotation Chaque plateau dispose de 2 têtes de lecture/écriture Caractéristiques des disques durs : Leur capacité varie actuellement de 160Go à 3To Leur vitesse de rotation se situe actuellement entre 4200 et 15000tr/min Le temps d accès moyen est actuellement d environ 8ms Le taux de transfert moyen des informations entre le disque et la mémoire peut atteindre jusqu à 130Mo/s L interface de communication : IDE / PATA (ParallelATA) SATA (Serial ATA) SCSI (Small Computer System Interface) Ultra SCSI SAS (SerialAttached SCSI) : pour les serveurs

16 Avantages du SATA par rapport au PATA : simple et - coûteux à mettre en œuvre (peu de fils comme PCIe/PCI) câbles chers, + longs et + fins (meilleure aération du boîtier) NCQ : l ordre de traitement des commandes est optimisé pour limiter le nombre de tours : + rapide, - vibrations et de bruit 91 Évolution des disques durs : Augmentation de la vitesse de rotation (actuellement 15000tr/mn max) Augmentation de la densité de stockage Amélioration de la fiabilité Passage d'un périphérique passif à un périphérique intelligent : intégration de mémoires caches mécanismes d'anticipation de lecture mécanismes de réorganisation du séquencement des accès (NCQ) RAID : Redundant Arrays of Inexpensive Disks RAID 0 (stripping) : données divisées et écrites sur plusieurs disques en // + vitesse - tolérance aux pannes RAID 1 (mirroring) : données dupliquées sur 2 disques à la fois + tolérance aux pannes - surcoût = x2 RAID 5 : avantages des 2 précédents, peu de défauts : non détaillé 92 Disque dur SSD (Solid State Drive) Périphérique de stockage basé sur la mémoire flash pouvant remplacer un disque dur. Avantages par rapport aux DD : Temps d accès : 0,1ms contre 10ms Taux de transfert : jusqu à 400Mo/s en SATA et plus de 1Go/s en RAID0 sur PCIe Robustesse, résistance thermique Silence Inconvénients par rapport aux DD : Prix élevé : environ 350 pour 256Go Durée de vie plus faible L utilisation d un Disque SSD permet d accélérer considérablement le démarrage et la réactivité du système d exploitation 93 Disques optiques numériques Les disques compacts (ou CD) sont standardisés au niveau de leurs caractéristiques physiques et de leur format logique (compatibilité) La normalisation initiale correspond au disque compact audio (CD-A) : "Livre Rouge" rédigé en 1982 par Sony et Philips Le CD audio (CD-A) : La zone utile est divisée en trois régions concentriques : un en-tête (lead-in) les données une plage de fin (lead-out) Sur l'ensemble de la zone utile est gravée une seule spirale de spires d'environ 5.6 km de long Un CD audio peut être divisé en pistes (jusqu'à 99) Durée d'enregistrement de 74 minutes correspond à 747 Mo utiles Le CD informatique (CD-ROM) : Le disque compact est sorti peu de temps après l'ibm PC-XT qui était alors équipé d'un disque dur de 10 Mo! => Spécification du CD-ROM dans le "Livre Jaune" rédigé par Philips et Sony en le débit de transfert est exprimé comme un multiple de la vitesse de lecture d un CD-audio (nx) les lecteurs fonctionnent à vitesse de rotation constante (CAV), le débit dépend de la position sur le disque (+ rapide vers l extérieur du CD-ROM)

17 CD-R (Recordable) : Le contenu d un CD-R peut être enregistré une fois, il fonctionne ensuite comme CD-ROM classique en lecture uniquement Un CD-R se compose de quatre couches. Entre le substrat en polycarbonate et la couche réfléchissante (en argent ou en or), se trouve un colorant organique photosensible L'écriture des données est réalisée par un laser puissant, qui permet de chauffer localement le colorant et de le rendre opaque La stabilité des colorants garantit une durée de vie d'au moins 30 ans CD-RW (ReWritable) : Le colorant est remplacé par un alliage Écriture : un laser chauffe l'alliage et le fait fondre, si le refroidissement est rapide l'alliage devient opaque et absorbe la lumière Effacement : si on chauffe suffisamment longtemps une zone amorphe on retrouve une structure cristalline transparente après refroidissement DVD (Digital Versatile Disc) : Alors que le disque compact a été initié comme support audio, le disque haute densité avait pour objectif initial la vidéo Les dimensions d'un DVD sont identiques à celles d'un CD Le principe de lecture reste le même, la densité d'information a augmenté : laser avec une plus petite longueur d'onde (635 ou 650 nm, rouge) créneaux réduits en largeur et longueur, et spires plus serrées L'ensemble des modifications a permis une densité d'information brute environ 4,5 plus grande Le DVD utilise la capacité d'un faisceau lumineux de traverser plusieurs surfaces semi-transparentes : 2 couches de réflexion superposées Les DVD existent en quatre versions : simple face, simple couche (DVD 5) : double face, simple (DVD 10) ou double couche (DVD 18) : Lecture de la première couche toujours de l intérieur vers l extérieur Lecture de la seconde couche possible dans les deux sens (possibilité d enchaîner les deux couches sans perte de temps, indispensable pour les applications vidéo du DVD) simple face, double couche (DVD 9) : DVD 5 : 4,7Go DVD 9 : 8,5Go DVD 10 : 9,4Go DVD 18 : 17Go DVD inscriptibles et réinscriptibles : Les mêmes techniques d enregistrement que celles des CD-R et CD-RW permettent de fabriquer des DVD-R (ou DVD+R) et des DVD-RW (ou DVD+RW)

18 BD (Blu-ray Disc) : Les dimensions d'un BD sont identiques à celles d'un DVD ou CD Le principe reste le même, la densité d'information a encore augmenté : laser avec une plus petite longueur d'onde (405 nm, bleu-violet) créneaux réduits en largeur et longueur, et spires plus serrées L'ensemble des modifications a permis une densité d'information atteignant 27Go en simple couche et 50 Go en double couche BD-ROM : pressé en usine, BD-R : inscriptible 1 fois, BD-RE : ré-inscriptible Evolution future : 100 Go (4 x 25 Go) et 200 Go (6 x 33,3Go) Interfaces aux lecteurs/graveurs de CD, DVD et BD : Ultra ATA, SCSI, SATA, USB, Firewire Périphériques d E/S Carte graphique (ou carte vidéo) La carte vidéo est conçue pour permettre une communication de données entre le processeur, la mémoire et l écran Sur un écran l image est découpée en points élémentaires : pixels (picture s element pict s el.) Résolution d une image = nombre de pixels présents simultanément (donné par nb pixels par ligne * nb pixels par colonne) La couleur d un pixel est constituée en mélangeant 3 couleurs : le rouge, le vert et le bleu : système RVB (RGB en anglais) 2 codage possible des couleurs : Vraies couleurs (true color) : codage de la valeur de chaque composante sur un certain nombre de bits. Ex : = 24 bits Palette : un nombre de couleurs déterminées et numérotées puis stockées dans une table 104 Coût du codage : 2 couleurs : 1 bits par pixel (mémoire vidéo = plan de bits : bitmap) 4 couleurs : 2 bits par pixel 16 couleurs : 4 bits par pixel 256 couleurs : 8 bits par pixel couleurs : 16 bits par pixel couleurs (16,8 millions) : 24 bits par pixel couleurs (4,3 milliards) : 32 bits En vraies couleurs sur 24 bits on code 16,8 millions de couleurs : ceci suffit à représenter toutes les nuances décelables par l œil humain (inutile d utiliser plus de 8 bits par composantes) 105 2D : À l origine tous les calculs liés à la construction des images étaient effectués par le CPU : carte graphique «=» RAMDAC (convertisseur de signaux numériques vers analogique) Pour décharger le CPU les cartes graphiques ont intégré des fonctions de dessin 2D : dessin : ligne, cercle zoom manipulation de pixels 3D : En informatique, on parle d affichage 3D lorsqu on donne une impression de relief à partir d'une image plane, en jouant sur les effets de perspective, d'éclairage, d'ombrage, de texture, etc L affichage 3D est généralement utilisé pour des séquences animées calculées en temps réel Pour ne pas surcharger le CPU, les calculs nécessités par l'affichage 3D sont confiés à un processeur situé sur la carte graphique : le GPU (Graphic Processing Unit) Il est arrivé sur les ordinateurs personnels à la suite de la demande importante des jeux vidéo au travers des cartes de 3dfx maintenant disparu et remplacé par les 2 leaders du marché actuel : Nvidia et ATI (AMD) Étapes lors de la réalisation d une image 3D : 1 : Positionnement des points 2 : Liaison des points en polygones 3 : Remplissage des polygones (z-buffer) 4 : Lissage de Gouraud

19 Étapes lors de la réalisation d une image 3D (suite) : Des processeurs graphiques complexes : Des cartes vidéo multi-fonctions : 5 : Plaquage de textures 6 : Éclairage 7 : Transparence 8 : Effets divers Les processeurs graphiques reprennent les optimisations des CPU : unités en parallèle (calculs, textures, pixel, ) plusieurs pipelines d exécution (application des textures) Ils sont aussi complexes à réaliser que les CPU (voir +) : Le processeur graphique GT200 (Nvidia GTX260 et 280) est constitué de + de 1,4 milliards de transistors (Intel Core 2 quad : 820 millions) Ils sont programmables et très performants : possibilité de nouveaux effets graphique très réalistes possibilité de faire des calculs scientifiques sur GPU au lieu du CPU Interface : PCIe 16x (ou quekquefois 8x, 4x en multi cartes) Connecteurs : VGA (analogique), DVI, HDMI et Display port (numérique) Les cartes vidéo actuelles ne se contentent plus seulement de l affichage 2D/3D mais intègrent de plus en plus souvent d autres fonctions : compression/décompression mpeg2/mpeg4 pour la vidéo capture d images ou de vidéo sortie pour affichage sur un téléviseur ou vidéoprojecteur affichage sur plusieurs moniteurs port pour périphériques de vision 3D (casque, lunettes, ) récepteur télévision fonctions magnétoscope compression selon différents formats pour le montage vidéo Moniteurs LCD à cristaux liquides TFT (Thin Film Transistor) : Ce type d écran qui était utilisé par les portables remplace maintenant également les moniteurs de bureau cathodiques. Le principe consiste à faire passer la lumière émise par un panneau fluorescent à travers des filtres successifs : un filtre polarisant vertical un filtre de couleur une cellule à cristaux liquides un filtre polarisant horizontal Caractéristiques des moniteurs LCD : Temps de réponse (quelle que soit la couleur) maintenant < 10ms Sinon effets de traînée lors de mouvements rapides à l écran Nombre de couleurs affichables et fidélité des couleurs Les écrans actuels ont encore du mal à égaler la colorimétrie des écrans cathodique Les tailles des écrans des moniteurs sont indiqués par rapport à leur diagonale mesurée en pouces (de 14 à 30 voir plus) Résolutions standards 4/3 : 1280x1024, 1600x1200, 2048x1536 Résolutions wide 16/10 : 1280x800, 1400x900, 1600x900, 1920x1080, Pour un affichage le plus net possible choisir la résolution d affichage correspondant exactement à celle du moniteur. Connecteurs : VGA (analogique), DVI, HDMI et Display Port (numériques) Imprimante Critères de classification : Famille technologique : à impact : frappe du caractère sur un ruban encreur devant la feuille (marguerite, tulipe, boule, aiguilles, tambour, bande) sans impact : caractère formé par projection ou transfert d'encre (laser, jet d'encre, thermique) Mode d'impression du caractère : caractère préformé : type machine à écrire (marguerite, tulipe, boule, tambour, bande) impression matricielle : caractère formé par une matrice de points (aiguilles, laser, jet d'encre, thermique)

20 Imprimante matricielle à impact Imprimante jet d encre Imprimante laser une tête d'impression porte des aiguilles (9, 24, ou 48) qui frappent un ruban carboné défilant devant le papier le ruban est noir ou couleur (4 bandes NRVB ou NJMC) 115 le circuit d encre est maintenu à basse pression : les gouttelettes restent dans l électrode creuse lorsqu un point doit être imprimé, une onde de choc est envoyée à la buse et la goutte est projetée sur le papier 116 même principe que les photocopieurs : technique xérographique un tambour couvert de sélénium est chargé +, un laser enlève les charges + des points à ne pas imprimer, de l encre en poudre (toner) chargée est déposée uniquement sur les points à imprimer, cette poudre est déposée sur le papier puis fixée par cuisson rapide, précis, faible prix de revient, - bon que jet d encre pour la photo 117 Critères de choix interfaçage : usb, réseau éthernet, sans fil (bluetooth ou wifi) Scanner 3 types de scanners : scanner à plat scanner feuille à feuille qualité : les jet d encre sont maintenant meilleures que les laser vitesse d impression : les lasers sont les plus rapides choix du papier : laser peu cher, jet d encre + cher format du papier : A4, A3, A2, A1, (passer aux tables traçantes) bruit : les jet d encre et laser sont peu bruyantes Pour les anciennes imprimantes matricielles : nombre de colonnes en mode texte dispositif encreur : type de ruban une source lumineuse éclaire intensément la ligne du document à scanner, à l aide d un miroir et d une lentille focalisatrice une barrette de cellules photosensibles CCD recueille la luminosité réfléchie par le document interface : usb, réseau éthernet, sans fil (bluetooth ou wifi) scanner à main intégré en combiné multi-fonction : imprimante/scanner/fax

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