Analyse et programmation 1

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1 Analyse et programmation Aperçu du fonctionnement de l ordinateur Fonctionnement de l ordinateur Codage de l information Bus d échange d information CPU Exécution d un programme par la CPU Gestion des périphériques Système d exploitation Gestion de fichiers Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur

2 Codage de l information Pourquoi coder l information L ordinateur consomme et produit de l information Ex: ordinateur r du secrétariat de l école. Contient le nom des étudiants et leurs notes. Calcule les moyennes de notes. L ordinateur est une machine électronique Constituée de circuits intégrés contenant des millions de petits interrupteurs, les transistors. A l intérieur Pas de papier ni de stylo, pour mémoriser l information. Sous quelle forme se trouve cette information? Il n y a que des niveaux de tensions électriques. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 2 Codage de l information Comment coder électriquement une information simple? Représentation électrique de l information sur un fil Eteint (tension V) = chiffre Allumé (5V ou 3.3V) = chiffre Constat Information très rudimentaire, offre peu de possibilités. Principe du voyant lumineux. Technologie facile à mettre en œuvre. + 5V interrupteur Information / Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 3 2

3 Codage de l information Comment coder électriquement une information plus riche? Représentation électrique sur plusieurs fils Chaque fil électrique e peut être à ou à. Avec 2 fils, 4 états possibles :,,,, représentant les entiers,, 2, 3 Avec 3 fils, 8 états possibles,,,,,,, =>,, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Avec n fils, 2 n états possibles =>,,, 2 n - + 5V 3 interrupteurs,,,,,,, Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 4 Codage de l information Le codage binaire N utilise que les chiffres et. Permet de représenter tous les nombres entiers. Chiffre binaire = BInary digit = BIT Exemple sur 8 bits (octet) Poids Octet exemple x Valeur décimale = 4 Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 5 3

4 Codage de l information Le codage binaire Ce codage est utilisé dans tous les ordinateurs. Il permet de représenter des nombres entiers. Les bits sont généralement groupés: 8 bits = octet. Configurations standards Ordinateur 8 bits : 8 fils, octet, 2 8 = 256 possibilités Ordinateur 6 bits : 6 fils, regroupés en 2 octets, 2 6 = possibilités Ordinateur 32 bits : 32 fils, regroupés en 4 octets, 2 32 = possibilités Ordinateur 64 bits : 64 fils, possibilités Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 6 Codage de l information Le codage binaire - conséquences Lorsqu on code en binaire un entier naturel aec avec n bits Le plus petit entier est. Le plus grand est 2 n - Exemples Avec 8 bits : = 255 Avec 6 bits : = Avec 32 bits : = Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 7 4

5 Codage de l information Le codage binaire les entiers négatifs Principe de représentation des entiers relatifs On utilise le «complément à 2» Complément à : on inverse la valeur de chaque bit Complément à 2 : s obtient en ajoutant au «complément à» Le bit de poids fort donne alors l indication du signe S il vaut => entier négatif S il vaut => entier positif 22 C (22) -22 = C 2 (22) Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 8 Codage de l information Le codage binaire les entiers négatifs Une addition avec des entiers relatifs 35 + (-22) = C 2 (22) 3 Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 9 5

6 Codage de l information Le codage binaire les entiers négatifs - conséquences Pour des entiers relatifs, aec avec n bits Le plus petit entier est (2 n- ) Le plus grand entier est +2 n- - Exemples Avec 8 bits : -28 à + 27 Avec 6 bits : à Avec 32 bits : à Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur Codage de l information Des notations plus commodes La notation binaire est fastidieuse pour nous: trop de chiffres = 2. La traduction binaire > décimale n est pas naturelle. La traduction décimale -> binaire l est encore moins. Les informaticiens ont adopté 2 notations L hexadécimal (base 6), très commode L octal (base 8), moins utilisé. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 6

7 7 Codage de l information L hexadécimal Utilise 6 chiffres : à 9 + A à F 6 hiff é t t di t t t t l l 6 chiffres représentent directement toutes les valeurs d un paquet de 4 bits. 2 hexa binaire 8 9 A hexa binaire Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur B C D E F Codage de l information Conversion hexadécimal - binaire Il n y a aucun calcul à faire. T d ti i é d l 2 Octet exemple h dé i l 8 D Traduction aisée dans les 2 sens. octet est traduit par 2 chiffres. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 3 hexadécimale 8 D

8 Codage de l information Conversion hexadécimal - décimal Poids x Valeur hexa 2 A 9 Valeur décimale = 836 Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 4 Codage de l information L octal Utilise 8 chiffres : à 7 8 chiffres représentent t directement t toutes t les valeurs d un paquet de 3 bits. octal binaire Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 5 8

9 Codage de l information Conversion octal - binaire Il n y a aucun calcul à faire. Traduction aisée dans les 2 sens. octet est traduit par 3 chiffres. Octet exemple octal 2 5 Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 6 Codage de l information Conversion octal - décimal Poids x Valeur octale 5 2 Valeur décimale = 554 Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 7 9

10 Codage de l information Les nombres réels Un problème Infinité de nombres réels même dans un intervalle borné. Impossibilité du codage avec un nombre de bits fini i Avec N bits, 2 N états possible. Dans un ordinateur, on a une mémoire de taille définie. Même si N est très grand, 2 N n est pas l infini. On ne pourra donc pas représenter tous les réels. Dans la pratique On utilise souvent 32 ou 64 bits pour coder les réels. D autres formats sont rencontrés. Ces bits sont utilisés pour coder 2 nombres entiers : la mantisse M et l exposant E : M. 2 E Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 8 Codage de l information Les nombres réels la solution utilisée Nombre réel Normalisation E 2 float ~7 chiffres.222 E 2 mantisse 24 bits binaire 222 exposant 8 bits 2 32 bits Conséquence : Perte des chiffres les moins significatifs Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 9

11 Codage de l information Les nombres réels conséquences Le nombre de chiffres significatifs est limité Il existe un intervalle minimum i entre 2 nombres réels Avec des conséquences surprenantes Valeur inchangée après addition.222e2 +.E donne pour résultat.222e2 Conséquences dramatiques Pour le calcul différentiel Problèmes de conditionnement numériques Mathématiquement juste, informatiquement faux. On améliore la qualité En utilisant des formats plus précis. 64, 8, 28 bits Mais les problèmes de résolution restent. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 2 Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 2

12 Bus d échange d information Structure interne de l ordinateur L ordinateur est constitué de circuits électroniques Le microprocesseur (CPU : Central Processing Unit) C est le chef d orchestre ou le cerveau. Les mémoires Elles retiennent les informations binaires sous forme électrique. RAM : Random Access Memory, peuvent être lues et écrites. ROM : Read Only Memory, lecture seule, le contenu est figé par le constructeur de l ordinateur. Les contrôleurs de périphériques Ils gèrent un dispositif itif externe, comme la souris ou l écran. Ces différents circuits échangent des informations. Pour cela, ils sont reliés par de nombreux fils électriques. Ces fils véhiculent l information binaire sous forme électrique. Ces fils dédiés à l échange d information s appellent des bus Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 22 Bus d échange d information Les différents bus Un ordinateur comporte généralement 3 bus Un bus d adresse : 8, 6, 32, 64 bits Le microprocesseur applique un nombre codé en binaire sur ce bus. Ce nombre binaire désigne l élément auquel le microprocesseur veut parler, ou le numéro de la case mémoire qu il veut utiliser. Un bus de contrôle : quelques bits Le microprocesseur indique la direction du transfert Depuis ou vers le microprocesseur Il envoie un signal quand tout est prêt pour le transfert. Un bus de données : 8, 6, 32, 64, 28 bits Selon le sens du transfert indiqué sur le bus de contrôle : Le microprocesseur ou le circuit adressé place un nombre codé en binaire sur ce bus. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 23 2

13 Bus d échange d information Structure physique CPU Mémoire ROM Mémoire RAM Contrôleur de Périphérique Contrôleur de Périphérique 2 Adresses (6) Contrôle (2) Données (8) Elément ROM (programme de démarrage) RAM (données) Contrôleur Périphérique (clavier) Contrôleur Périphérique 2 (écran) Adresse -FFF 2-7FFF A-AF A4-A7F Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 24 Bus d échange d information La carte interne d un PC en photo Connecteurs vers les périphériques contrôleurs de périphérique intégrés Connecteurs contrôleur de périphérique Connecteur CPU Fils parallèles : Bus Connecteurs mémoire Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 25 3

14 Bus d échange d information Espace d adressage Espace continu de valeurs L adresse détermine le circuit it utilisé Certaines adresses sont libres Ecriture : ne fait rien Lecture : résultat indéterminé. FFFF A8 Indéfini 9FFF Indéfini 8 7FFF A7F Contrôleur 2 A4 RAM AF Contrôleur A 2 FFF ROM Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 26 Bus d échange d information Déroulement d une lecture de données de la ROM par la CPU Adresses Lecture Ecriture Données Temps La CPU place l adresse 23h La CPU active le signal de lecture La ROM place les données Données valides lues par la CPU Fin du cycle de lecture Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 27 4

15 Bus d échange d information Déroulement d une écriture de données dans la RAM par la CPU Adresses Lecture Ecriture Données La CPU place l adresse 2345h + les données La CPU active le signal d écriture Fin de la prise en compte des données par la RAM Fin du Temps cycle d écriture Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 28 Le microprocesseur (CPU) Le cerveau ou chef d orchestre de l ordinateur La CPU contrôle les bus et gère le déroulement des opérations. Elle exécute séquentiellement les opérations demandées par un programme. Ces opérations s appellent des instructions. Ce sont des opérations très élémentaires. Ces instructions sont représentées par des nombres binaires. On appelle ce langage «le langage machine». Exemples Charger la valeur du registre A avec la valeur 2 MOVA 2 => codage en mémoire A6 2 Ajoute la valeur du registre B au registre A ADD A, B => codage en mémoire C9 Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 29 5

16 Le microprocesseur En photo A l intérieur d une CPU simple Une petite CPU Une CPU de PC. 5 connexions Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 3 Le microprocesseur (CPU) Structure interne simplifiée Registre PC «Compteur de Programme» (adresse prochaine instruction) 6 bits Registre de données A 8 bits Registre de données B 8 bits Contrôle des bus PC = 23 Adresses (6) Contrôle (2) Données (8) Unité de calcul Séquenceur -Lit la prochaine instruction -Exécute cette instruction -Ajoute à PC ROM Adresse Contenu Signification 23 A6 MOVA 24 2 Valeur 2 25 B6 MOVB Valeur C9 ADD A, B Résultat après l exécution des instructions Reg A = 55 Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 3 6

17 Le microprocesseur (CPU) Exécution d un programme Un programme Est une simple suite de nombres. Ces nombres ont une signification particulière pour la CPU. Ce sont les instructions du langage machine. L écriture d un programme Elle semble particulièrement difficile avec cette approche. Comment programmer le calcul simple suivant A = / 7 83 En utilisant ces opérations élémentaires -> très laborieux. Heureusement, des langages dits «évolués» vont nous faciliter la tâche. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 32 Le microprocesseur (CPU) Caractéristiques Fonctionnalité Traite des instructions très élémentaires. Peut paraître peu puissant. Vitesse de calcul Petits microprocesseurs : instructions / s Microprocesseurs courants : instructions / s Super ordinateurs : instructions / s Conclusions Un ordinateur exécute bêtement une suite d instructions. Grâce à la rapidité, on peut traiter des problèmes complexes avec ses instructions simples. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 33 7

18 Gestion des périphériques Principe général Les périphériques Ce sont tous les éléments extérieurs rs à l ordinateurr Clavier, souris, écran, imprimante, réseau, disque dur Gérés par des circuits électroniques spéciaux Le contrôleur de clavier mémorise le numéro de la touche enfoncée. Le contrôleur d écran mémorise la couleur à afficher pour chaque point de l écran et produit le signal pour l écran. La CPU Va simplement lire et écrire des valeurs dans des registres de ces contrôleurs de périphériques. Encore une fois, tout n est que nombre binaire. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 34 Gestion des périphériques Illustration CPU Mémoire ROM Mémoire RAM Contrôleur de souris Contrôleur de clavier Contrôleur d écra an Contrôleur disque dur t Contrôleur de réseau Ethernet Adresses (6) Contrôle (2) Données (8) Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 35 8

19 Gestion des périphériques Le disque dur - principe Caractéristiques Disque stockant l information sous s forme magnétique. Stockage de très grandes quantités d information. Pas cher. Mais beaucoup plus lent que la RAM. Utilisation Les gros volumes d information sont sur le disque dur. Peut contenir des millions de données ou de programmes. Ces données et ces programmes sont chargés dans la RAM lorsqu ils doivent être utilisés par la CPU. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 36 Gestion des périphériques Le disque dur - structure interne Constitué de disques métalliques recouverts erts d une couche che dure contre l usure. d où le nom «disque dur» Ce disque tourne vite 54 ou 72 tours / minute = 9 ou 2 t/s Une tête de lecture/écriture se déplace près de la surface pour lire ou écrire des informations sous forme magnétique. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 37 9

20 Gestion des périphériques Le disque dur - structure interne Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 38 Gestion des périphériques Le disque dur - formatage Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 39 2

21 Le système d exploitation Rôle Un ordinateur sans programme ne sait rien faire. Le système d exploitation C est le programme chargé automatiquement au démarrage. Il sait gérer correctement les périphériques de l ordinateur. Offre des fonctions évoluées Organisation des fichiers sur le disque dur. Gestion du clavier et de la souris. Affichage de fenêtres à l écran. Démarrage des programmes utilisateur. Souvent complexe, plusieurs millions de lignes de programme. Exemples de systèmes d exploitation Microsoft Windows Linux Mac OS Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 4 Le système d exploitation Principe du démarrage Que se passe t il quand on allume l ordinateur? Le registre compteur de programme de la CPU contient une adresse connue, toujours la même. Par exemple. La CPU commence à exécuter le programme à cette adresse. Cette adresse concerne normalement la ROM, dont le contenu n est jamais perdu. La ROM contient à cette adresse un programme de démarrage. Sur PC, ce programme est appelé BIOS (Basic Input Output System). Ce programme de démarrage utilise le contrôleur de disque dur. Il copie un emplacement fixe du disque dur dans la RAM. Cette zone du disque dur, appelée BOOT, contient un programme qui charge en RAM tout le système d exploitation. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 4 2

22 Le système d exploitation Que fait il ensuite? Il surveille les actions de l utilisateur Il affiche des informations à l écran -> contrôleur d écran écran. Il lit l état du contrôleur de clavier et de souris. Il traite les actions de l utilisateur. Il reflète le résultat dans la mémoire, à l écran, sur le disque dur, L utilisateur peut Demander le lancement d un nouveau programme. Le programme est lu du disque dur vers la RAM. Ensuite, il est exécuté par la CPU. Ces opérations sont faites par le «chargeur de programmes» Il est ainsi possible de démarrer un nouveau programme. Sans devoir aller modifier la ROM! Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 42 Le système de fichiers Principe Le disque dur peut contenir beaucoup de données Exemple : 6 Gigabytes = octets Comment faire pour s y retrouver au milieu de tous ces nombres? Notion de fichier Gérée par le système d exploitation. Paquet d informations, identifié par un nom et une extension. Exemple : «Livres.txt» A l intérieur, codé en binaire (que des nombres). L extension indique quel programme doit être utilisé pour exploiter ce fichier. Les programmes donnent un sens au contenu. Exemple Un fichier texte, a une extension.txt. Contient des nombres binaires, correspondant chacun à un caractère. Un programme «éditeur de texte» sait afficher ces caractères à l écran. Il donne un sens au fichier. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 43 22

23 Le système de fichiers Organisation hiérarchique Constat Un disque dur actuel peut contenir des millions de fichiers. Très difficile de s y retrouver sans un peu d ordre. Notion de dossier (ou répertoire) Un dossier ou un répertoire permet de ranger des fichiers. Un répertoire peut contenir des fichiers ou d autres dossiers. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 44 Le système de fichiers Exemple : un fichier texte Le programme «Explorateur de fichiers» de Windows affiche la liste des dossiers et fichiers du système Le fichier livres.txt contient des données binaires : des nombres correspondant en fait chacun à un caractère. Le programme «bloc notes» sait afficher les caractères à l écran. Il donne un sens aux fichiers texte «.txt» Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 45 23

24 Qu avons-nous appris? Dans un ordinateur tout est représenté Par des et des, sous forme électrique ou magnétique. Aussi bien les programmes que les données. Par commodité, on utilise d autres notations : hexa, octal. La CPU est le chef d orchestre de l ordinateur Exécute inlassablement les programmes qui sont en mémoire. Pour désigner les circuits périphériques et les cases mémoire qu elle veut utiliser, elle indique leur numéro ou adresse. Le système d exploitation C est le programme chargé au démarrage. Il offre des services de base. Créer un programme C est générer une suite d instructions exécutables par la CPU. Le langage de la CPU n est fait que de nombres. Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 46 Vos questions Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 47 24

25 Analyse et programmation - Aperçu du fonctionnement de l'ordinateur 48 25

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