TO4T Technologie des ordinateurs. Séance 1 Introduction aux technologies des ordinateurs

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1 TO4T Technologie des ordinateurs Séance 1 Introduction aux technologies des ordinateurs Sébastien Combéfis mardi 27 janvier 2015

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3 Informations générales TO4T Technologie des ordinateurs 15h théorie Documents utilisés sont sur Eole Slides et ressources complémentaires Examen oral : théorie et exercices Dr Ir. Sébastien Combéfis 3

4 Livre de référence ISBN

5 Objectifs Comprendre ce qu est un ordinateur et son fonctionnement Et de manière plus générale un système informatique Bref historique de l évolution des ordinateurs Architecture de Von Neumann, Loi de Moore... Représentation interne des informations et encodage Systèmes numéraires, entier, flottant... 5

6 Système informatique moderne disque(s) écran(s) processeur(s) scanner imprimante mémoire principale clavier webcam interface réseau souris 6

7 Système informatique moderne disque(s) écran(s) processeur(s) scanner imprimante mémoire principale clavier webcam interface réseau souris 6

8 Vue générale d un système informatique Un ou plusieurs CPU et contrôleurs de périphérique connectés à une mémoire partagée par un bus Un contrôleur mémoire pour synchroniser les accès mémoire CPU contrôleur disque contrôleur USB adaptateur graphique 7

9 Première partie I Bref historique

10 Hardware vs Human cost Cost Human Hardware Time 9

11 La «préhistoire» La machine de Babbage (1836) Première machine analytique, non achevée Influence de Blaise Pascal et Gottfried Leibniz La «Pascaline» et la multiplicatrice Charles Babbage ( ) Aide de Ada Lovelace pour la conception de «diagramme» Publie le premier algorithme destiné à une machine 10

12 Machine à différences Concevoir des tables nautiques, astronomique et mathématiques exactes Concepts des machines informatiques Dispositif d entrée avec deux cartes perforées Organe de commande Magasin pour stocker les résultats intermédiaires Moulin chargé d exécuter des opérations sur les nombres Trois types d imprimante 11

13 Machine à différences Concevoir des tables nautiques, astronomique et mathématiques exactes Concepts des machines informatiques Dispositif d entrée avec deux cartes perforées Organe de commande Magasin pour stocker les résultats intermédiaires Moulin chargé d exécuter des opérations sur les nombres Trois types d imprimante Babbage Machine, Computer History Museum, photo par Sébastien Combéfis, Janvier

14 Première génération ( ) Machines constituées de tubes à vide Tableaux d interrupteur pour représenter le programme Introduction des cartes perforées au début des années 50 Atanasoff-Berry Computer, Computer History Museum, photo par Sébastien Combéfis, Juin

15 Colossus (1943) Premier calculateur électronique basé sur le système binaire Il s agit aussi de la première machine programmable Utilisé lors de la Seconde Guerre Mondiale Cryptanalyse du code de Lorenz Détruites après guerre Pour que leur fonctionnement reste secret 13

16 Colossus (1943) Premier calculateur électronique basé sur le système binaire Il s agit aussi de la première machine programmable Utilisé lors de la Seconde Guerre Mondiale Cryptanalyse du code de Lorenz Détruites après guerre Pour que leur fonctionnement reste secret Colossus, photo par Unknown, Wikimedia Commons. 13

17 ENIAC ( ) Electronic Numerical Integrator Analyser and Computer Premier ordinateur entièrement électronique et programmable Peut résoudre tous les problèmes calculatoires (Turing-complet) Utilise des registres décimaux 5000 additions, 357 multiplications ou 38 divisions par seconde 14

18 ENIAC ( ) Electronic Numerical Integrator Analyser and Computer Premier ordinateur entièrement électronique et programmable Peut résoudre tous les problèmes calculatoires (Turing-complet) Utilise des registres décimaux 5000 additions, 357 multiplications ou 38 divisions par seconde Eniac, photo par Inconnu, Wikimedia Commons. 14

19 Autres machines EDVAC ( ) Opère en mode binaire contrairement à l ENIAC UNIVAC I (1951) Mémoire centrale stockant 1000 nombres à 11 décimaux + signe Tubes à vide Poids Taille Consommation ENIAC tonnes 167 m kw EDVAC ,85 tonnes 45,5 m 2 56 kw UNIVAC tonnes 35,5 m kw 15

20 Deuxième génération ( ) Apparition et utilisation des transistors Séparation nette entre différents rôles Concepteur, constructeur, opérateur, programmeur, maintenance Ordinateurs centraux (mainframe) Accessibles uniquement par les opérateurs Programme codé sur carte perforée (FORTRAN, COBOL) Traitement par lots (batch) Fortran Monitor System (FMS) 16

21 Deuxième génération ( ) Apparition et utilisation des transistors Séparation nette entre différents rôles Concepteur, constructeur, opérateur, programmeur, maintenance Ordinateurs centraux (mainframe) Accessibles uniquement par les opérateurs Programme codé sur carte perforée (FORTRAN, COBOL) Traitement par lots (batch) Fortran Monitor System (FMS) IBM 7094 Console, photo par ArnoldReinhold, Wikimedia Commons. 16

22 Troisième génération ( ) Apparition et utilisation des circuits intégrés Combinaison de machines en mot et en caractères IBM 360 (1964) : petit/grand, commercial/scientifique Operating System 360 (OS/360) Nouvelles techniques fondamentales Multiprogrammation : partition de la mémoire par job Spoulage : stocker les jobs sur le disque Temps partagé : un terminal en ligne par utilisateur 17

23 MULTICS Multiplexed Information and Computing Service (1969) Support de centaines d utilisateurs Écrit en PL/1 Utilisé jusqu à la fin des années 90 par GM, Ford et la NSA Influence de nombreux développements Système Unix : System V (AT&T), BSD (Berkeley) Norme POSIX : standard proposé par l IEEE 18

24 Quatrième génération ( ) Développement des circuits intégrés à haute densité (LSI) Milliers de transistors sur un mm 2 de silicium Âge des ordinateurs personnels Intel 8080 (1974) : premier processeur 8 bits généraliste Kildall développe le système d exploitation CP/M IBM PC (1980) : rachète Disk Operating System (DOS) Bill Gates développe MS-DOS, naissance de Microsoft 19

25 Interface Homme-Machine graphique Doug Engelbart (années 60) : concept d IHM graphique Fenêtre, icône, menu, souris Xerox et Apple développent les premières interfaces graphiques Macintosh d Apple (Steve Jobs) Windows comme surcouche de DOS (puis 95, NT) 20

26 Cinquième génération (1990 aujourd hui) Linux (initialement construit à partir de Minix) Architecture parallèles, systèmes distribués Miniaturisation : systèmes embarqués, multimédias P2P, web computing, cloud computing Open source 21

27 Deuxième partie II Système informatique

28 Quelques définitions Computer : calculateur numérique électronique À l origine, suites d opérations arithmétiques Ordinateur : machine de traitement de l information Acquérir, conserver, restituer de l information Informatique : science du traitement de l information Information + Automatique 23

29 Système informatique Moyens nécessaires pour les besoins de l utilisateur Matériels et logiciels Différences de tailles et complexités Ordinateur personnel, laboratoire de calcul... Matériel et logiciel indissociable Un ordinateur sans logiciel est inutile 24

30 Architecture Art de concevoir Structure générale d un système informatique Organisation et relations entre ses différents éléments Architecture matérielle et logicielle Logiciel, pièce de matériel, réseau, groupe de machines... 25

31 Réseau en étoile Topologie de réseau entre machines Ordinateurs tous reliés à un nœud central 26

32 Architecture de Von Neumann Mémoire Unité de contrôle Unité arithmétique et logique Entrée Sortie 27

33 Unités de mesure I Bit (Binary digit) Chiffre binaire valant 0 ou 1 Byte (noté B) Ensemble adjacent de bits Octet (noté o en français ou b en anglais pour byte) Byte de 8 bits codant une information Permet de mesurer des capacités, des débits... Disque dur de 2 To, vitesse de transfert de 2 Mbits/s... 28

34 Unités de mesure II Préfixes SI (puissances de 10) et binaires (puissances de 2) Norme CEI établie par la CEI Commission Electronique Internationale Préfixes SI Préfixes binaires kilo ko 10 3 o kibi Kio 2 10 o mega Mo 10 6 o mébi Mio 2 20 o giga Go 10 9 o gibi Gio 2 30 o tera To o tébi Tio 2 40 o peta Po o pébi Pio 2 50 o Exemple : disque dur de 100 Go correspond à Gio 29

35 Loi de Moore I Gordon Moore, l un des fondateurs de Intel Densité des processeurs double tous les 18 à 24 mois Dans un circuit intégré Généralisée à la puissance d un microprocesseur, mémoire... Année Microprocesseur Transistors Largeur gravure Bus Fréquence µm 4 bits 740 khz millions 0.8 µm 32 bits 33 MHz 1997 Pentium II 7.5 millions 0.35 µm 64 bits 233 MHz 2011 Core i7 1 milliard 32 nm 64 bits 3 GHz 30

36 Loi de Moore II 31

37 Grands acteurs Réseau Logiciel Matériel Cisco Huawei Alcatel Netgear Google, Yahoo Oracle, Linux Microsoft Intel, ARM Motorola, HP Samsung Apple, IBM 32

38 Fonctionnement du matériel Mémoire centrale Contient les programmes et les données Unité centrale de traitement (CPU) Exécute un programme chargé en mémoire centrale Unité d entrées/sorties (E/S) Échange d informations avec des périphériques E/S 33

39 Fonctionnement du logiciel Programmation : développement de logiciels Réaliser un programme pour résoudre un problème donné Plusieurs phases appelées cycle de vie du logiciel Langage de programmation Traduction en langage machine 34

40 Troisième partie III Représentation des informations

41 Information Différents types d information Nombre, instruction, image, séquence d images animées, son... Le bit est l information élémentaire : 0 ou 1 Codage : mapping entre représentation externe et interne Le caractère A, le nombre comme une séquence de bits Deux types d information traités par l ordinateur Instruction Donnée 36

42 Instruction Opération à exécuter par l ordinateur Écrite en langage machine Deux parties composent une instruction Code de l opération Opérandes Code opération Opérandes 37

43 Données non-numériques Caractères alphanumériques et caractères spéciaux Codage réalisé avec une table de correspondance BCD (Binary Coded Decimal) 6 bits ASCII (American Standard Code for Information Interchange) 7 bits EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Internal Code) 8 bits Unicode 16 puis 32 bits 38

44 Unicode Un numéro unique pour chaque caractère Indépendamment de la plateforme, du logiciel et de la langue Unicode = ISO/IEC

45 Données numériques Différents types de données numériques, nombre... entiers positifs (ou nul) : 0, 7, entiers négatifs : 12, fractionnaires : 3.14, en notation scientifique : , Codage selon le type et opérations par l arithmétique binaire 40

46 Système numéraire Correspondance entre un nombre N et un symbolisme écrit Système en base p, dont les chiffres [0, p 1] n N = a i p i a i [0, p 1] i=1 Décimal (base 10), binaire (2), octal (8) et hexadécimal (16) (12) 10 = (1100) 2 = (14) 8 = (C) 16 41

47 Nombre entier Représentation en champs fixe Nombre de chiffres fixés à k N 0 Dépassement de capacité possible lors d un calcul Positif Représentation en base 2 Valeurs représentables : 0 N p k 1 Négatif Un bit sacrifié pour le signe (0 positif et 1 négatif) Complément à deux (arithmétique) Valeurs représentables : 2 k 1 N 2 k

48 Nombre réel (10.01) 2 = = (2.25) 10 Virgule fixe Le programmeur gère la position de la virgule Virgule flottante N = ( 1) S M B E S E M 43

49 IEEE 754 Simple précision (32 bits) N = ( 1) S (1.M) 2 E 127 Signe sur 1 bit, exposant sur 8 bits et mantisse sur 23 bits Forme dénormalisée si E = 0 : ( 1) S (0.M) Nombres spéciaux si E = 255 : ± si M = 0 et NaN sinon Double précision (64 bits), exposant biaisé à 1023 Précision étendue (80 bits) 44

50 Crédits Personal_computer,_exploded_6.svg Boeing_787-8_N787BA_cockpit.jpg https://openclipart.org/detail/34897/tango-printer-by-warszawianka https://openclipart.org/detail/34567/tango-input-mouse-by-warszawianka https://openclipart.org/detail/34561/tango-input-keyboard-by-warszawianka https://openclipart.org/detail/34903/tango-video-display-by-warszawianka https://openclipart.org/detail/34537/tango-drive-hard-disk-by-warszawianka https://openclipart.org/detail/17924/computer-by-aj https://openclipart.org/detail/90145/server_mimooh_01r-by-mimooh Photos des livres depuis Amazon 45

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