Introduction à l'informatique

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1 Introduction à l'informatique par Michel Futtersack Maître de Conférences en Informatique Université Paris Descartes Ce document est téléchargeable à l'adresse :

2 1. Théorie de l'information Définition : Une information est un élément de connaissance représentable à l aide de conventions pour être conservé, traité ou communiqué. Une information est une quantité mesurable. L information est une connaissance qui doit pouvoir être exprimée précisément dans un langage. Les sentiments, les sensations, tout ce qui est subjectif, ne constitue pas de l information. Quand on code une connaissance en une information, il y a nécessairement perte de sens : par exemple, dans le codage de la musique, le musicien ne peut coder exactement toute sa pensée Système abstrait de traitement de l information : Source de connaissance codage Calculateur : Processeur et Mémoire décodage Utilisateur de connaissance Codage binaire de l information L'expression "tout numérique" signifie que tout type d'information (nombres, textes, images, son ) peut être codé sous forme d'une suite de nombres et plus précisément par une suite (très longue) de 1 et de 0. Dans un ordinateur, toutes les informations (programmes et données) sont codées ainsi, en codage dit "binaire" Représentation d un entier naturel en binaire : Il faut bien distinguer nombre et écriture d'un nombre. Un nombre est une notion abstraite qui peut être écrite de différentes façons. Par exemple, le nombre DOUZE peut être écrit : 12 (écriture décimale) ou XII (écriture romaine) ou IIIIIIIIIIII (écriture des bergers et des prisonniers...). L'écriture d'un nombre utilise des chiffres disposés d'une certaine manière. L'écriture décimale (appelée aussi écriture en base dix) utilise les 10 chiffres arabes : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, et 9. La position de chaque chiffre correspond à une puissance de 10. Par exemple : 4309 signifie 4x x x x10 0 L'écriture d'un nombre en binaire (appelée aussi écriture en base deux) utilise la propriété suivante : Tout nombre entier peut s'écrire de façon unique comme une somme de puissances de deux. Par exemple : 15 = = = = On peut aussi écrire : 51 = 1x x x x2 2 +1x x2 0 Si on garde uniquement les coefficients de cette somme, on obtient :

3 est l'écriture binaire du nombre CINQUANTE ET UN. Dans cette écriture binaire le chiffre 1 indique la présence d'une certaine puissance de deux et le chiffre 0 indique l'absence d'une certaine puissance de deux. Par exemple, l'écriture binaire 1110 représente : 1x x2 2 +1x x2 0 c'est-à-dire : 1x8 + 1x4 + 1x2 + 0 = 14 Donc le nombre QUATORZE s'écrit 14 en écriture décimale et 1110 en écriture binaire. Quand on voit une suite de 0 et de 1, il est impossible de savoir quel nombre cette suite représente si on ne précise pas quelle est la base de la numération. En cas d'ambiguïté, on peut indiquer explicitement cette base : (101) 10 est l'écriture décimale du nombre cent un. (101) 2 est l'écriture binaire du nombre cinq Il est utile de connaître par cœur les premières puissances de 2 : 2 0 = = = = = = = = = = = 1024 Méthode pratique pour écrire un nombre entier naturel n en binaire : On cherche quelle est la plus grande puissance de 2 contenue dans le nombre n. Par exemple, 2 p. Cela indiquera le premier chiffre 1. Puis on cherche la plus grande puissance de 2 contenue dans le reste n - 2 p, etc. Par exemple, quelle est l'écriture binaire du nombre CENT CINQUANTE TROIS? La plus grande puissance de deux contenue dans ce nombre est 2 7 (cf tableau ci-dessus). Il reste = 25. La plus grande puissance de deux contenue dans 25 est 2 4. Il reste = 9. La plus grande puissance de 2 contenue dans 9 est 2 3. Il reste 9-8 = 1. La plus grande puissance de 2 contenue dans 1 est 2 0. On a donc : 153 = Pour avoir l'écriture binaire, il faut faire apparaître les puissances de 2 manquantes : 153 = 1x x x x x x2 2+ 0x x2 0 L'écriture binaire de 153 est donc : Définition : le BIT (Binary digit) est la plus petite unité d information. Un bit peut valoir 0 ou 1.

4 En langage binaire, il faut : 3 bits (3 chiffres binaires) pour écrire le nombre CINQ : bits pour écrire le nombre TRENTE DEUX : bits pour écrire le nombre CENT CINQUANTE TROIS : On regroupe les bits par 4 (4 bits = un quartet) pour améliorer la lisibilité. Avantages du codage binaire : * point de vue traitement de l information : Claude Shannon a montré comment les opérations logico-arithmétiques booléennes pouvaient être facilement implantées sous forme de circuits électriques. Si on sait ramener un traitement de l'information à un calcul binaire alors on pourra facilement représenter celui-ci dans un circuit électronique. * point de vue traitement du signal : le principe du "tout ou rien" permet de lutter plus facilement contre les perturbations du signal (bruits, parasites) Représentation d un texte en binaire Pour représenter un texte en binaire, il suffit d'attribuer à chaque caractère un numéro. Comme choisir ce numéro? Il faut se mettre d'accord sur ce qu'on appelle un CODE. le code qui s'est imposé historiquement le premier est le code ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Par exemple les codes ASCII de 'a', 'b', et 'c' sont : 97, 98 et 99 Extrait de la Table ASCII code car code car code car code car code car code car 33! C 84 T 101 e 118 v 34 « D 85 U 102 f 119 w 35 # E 86 V 103 g 120 x 36 $ F 87 W 104 h 121 y 37 % G 88 X 105 i 122 z H 89 Y 106 j 123 { I 90 Z 107 k ( J 91 [ 108 l 125 } 41 ) 58 : 75 K 92 \ 109 m 126 ~ 42 * 59 ; 76 L 93 ] 110 n 127 DEL < 77 M 94 ^ 111 o 128 ç 44, 61 = 78 N 95 _ 112 p 129 ü > 79 O q 130 é ? 80 P 97 a 114 r 131 â 47 / 81 Q 98 b 115 s 132 ä A 82 R 99 c 116 t 133 à B 83 S 100 d 117 u Pour représenter tous les caractères possibles d'une écriture donnée (latin ou arabe ou chinois, etc), 8 bits peuvent suffire pour représenter 256 caractères différents. Mais pour représenter dans le même code tous les caractères de toutes les langues écrites connues, le code ASCII ne suffit pas. Le code UNICODE attribue un numéro à tous les caractères de tous les alphabets connus. Ce numéro, appelé "point code", peut être encodé (c'est-à-dire représenté en langage binaire) de différentes façons, par exemple sur deux octets (encodage UTF-16 pour 16 bits). Pour obtenir la liste de tous les caractères reconnus par UNICODE, allez voir :

5 Il y a deux types de caractères : les caractères ordinaires sont affichables à l'écran et se trouvent sur le clavier. Les caractères spéciaux ne sont pas affichables (sauf si on le demande au programme de traitement de texte qui utilisera alors un signe conventionnel pour les représenter). Certains sont sur le clavier (caractère RETOUR), d'autres non (caractère Fin de Fichier) Octet (en anglais : byte) : un groupe de huit bits s'appelle un octet. Un octet permet de représenter 256 (=2 8 ) combinaisons de 1 et de 0. Si on utilise le code ASCII, il est très facile d'encoder les caractères : chaque caractère est codé sur un octet. Exemple : "Paris" est codé par (codes ASCII), ce qui donne en binaire : Autres unités de mesure de quantité d'information : Kilo-octet (Ko) : 1 kilo-octet = 2 10 octets = 1024 octets à peu près mille octets Méga-octet (Mo) : 1 méga-octet = 2 20 octets = octets à peu près un million d'octets Giga-octet (Go) : 1 Giga-octet = 2 30 octets = octets à peu près un milliard d'octets Téra-octet (To) : 1 Tera-octet = 2 40 octets = octets à peu près mille milliard d'octets Exercice : un livre de poche de la collection Folio contient 48 caractères par ligne et 34 lignes par pages. Combien de pages de livre de poche puis-je mémoriser sur mon disque dur de 1 Go, en supposant que les caractères sont codés en ASCII? Représentation d un programme en binaire Les instructions d un programme sont encodées en binaire, chargées dans la mémoire interne de l'ordinateur à partir d'une mémoire externe, puis exécutées par le microprocesseur. Représentation de données multimédia en binaire Les images : Définition : le pixel ("picture element") est le plus petit élément utilisé pour construire une image sur un écran. Un pixel est créé par plusieurs points lumineux adjacents (un de chaque couleur Rouge, Vert, Bleu : principe de la synthèse additive). La couleur du pixel est caractérisée par trois nombres entiers représentant les quantités respectives de R, V et B. Si chaque composante est codée sur 1 octet, on a 2 8 x2 8 x2 8 =2 24 couleurs possibles (16,7 millions de couleur) Une image de type «bitmap» est codée par un suite de points, chacun étant représenté la valeur de sa couleur. L'image contient également un "en-tête" qui contient des informations supplémentaires (nombre de lignes et de colonnes, etc) La définition (appelée parfois abusivement résolution) d un écran est le nombre de points constituant l image : 640x480 (nb de lignes x nb de colonnes)

6 800x x768 Un moniteur multisynchrone est capable d afficher dans différentes définitions : plus la définition est grande, plus on peut afficher d informations mais plus celles-ci sont petites à l écran Combien d octets faut-il au minimum (sans compression) pour coder une image BITMAP en définition 800x600 la couleur étant codée sur 3 octets et chacune des coordonnées sur deux octets? Réponse : 800x600x7= octets soit à peu près 3 Mo. 2. Architecture d'un ordinateur Unité Centrale (UC) Unité de commande Unité Arithmétique et Logique Mémoire centrale Périphériques Registres Bus Unité centrale : son rôle est d'exécuter les programmes stockés en mémoire centrale en chargeant les instructions, en les décodant et en les exécutant l'une après l'autre. L'unité centrale est composée d'une unité de commande qui va chercher dans la mémoire centrale la prochaine instruction à exécuter et les données sur lesquelles vont porter l'instruction, et d'une unité arithmétique et logique qui exécute des opérations élémentaires comme des additions ou des ET logiques. L'UC contient également des registres, mémoires très rapides permettant de stocker des résultats intermédiaires. L'unité centrale d'un micro-ordinateur s'appelle un micro-processeur. Mémoire centrale : on y range les programmes et les données. C'est un ensemble de cellules dont chacune contient un "mot" d'information. Chaque cellule a un numéro que l'on appelle son adresse La mémoire centrale est composée de deux parties : la mémoire vive (RAM) qui mémorise les informations tant que l'ordinateur est sous tension, mais qui se vide dès que l'on éteint l'ordinateur. la mémoire morte (ROM) qui contient en permanence des informations (comme par exemple le programme d'affichage des fenêtres) Périphériques : ce sont les organes qui permettent à l'unité centrale de communiquer avec l'extérieur. On distingue :

7 * les organes d'entrée, qui permettent d'entrer des données dans l'ordinateur : clavier, souris, crayon optique, etc. * les organes de sortie, qui permettent de restituer les résultats des calculs de l'ordinateur : moniteur, imprimante * les mémoires secondaires : elles permettent de mémoriser de façon permanente de grandes quantités d'information : disque dur, clé USB, DVD, bandes magnétiques. Bus : c'est un ensemble de fils électriques qui conduisent des signaux permettant aux différents composants de l'ordinateur de communiquer L'utilisateur lance un programme : que se passe-t-il? Le système d'exploitation va chercher le programme sur le disque dur et le charge dans la mémoire vive et indique au processeur l'adresse où se trouve la première instruction à exécuter. Le processeur (l'unité de commande) va chercher la première instruction, et la décode. S'il s'agit d'une opération portant sur des données (par exemple une addition), l'instruction comporte le nom de l'opération (ADD) et l'adresse de la ou des données sur lesquelles l'opération doit se faire. Le processeur va alors chercher les données, puis le code de l'opération et les données sont transmises à l'unité arithmétique qui fait le calcul et place le résultat dans un registre. L'unité de commande peut alors transporter le résultat du registre vers la mémoire vive. Puis l'unité de commande va chercher la prochaine instruction à exécuter. L'unité centrale communique avec la mémoire centrale par l'intermédiaire de deux bus : le bus d'adresses par lequel l'unité centrale envoie à la mémoire l'adresse de la cellule qui l'intéresse. le bus de données par lequel la mémoire envoie à l'unité centrale la donnée (ou l'instruction) que lui a demandé l'unité centrale Unité centrale Mémoire centrale UAL Unité de commande bus de données Programme Registres bus d'addresses Données Caractéristiques d'un micro-processeur : * Les informations manipulées par un ordinateur sont regroupées en mots. Le Pentium est un processeur 64 bits signifie qu'il manipule des mots de 64 bits (8 octets). * Les bus peuvent contenir plus ou moins de fils qui transportent chacun un bit. Le bus mémoire qui assure le transfert des données entre le processeur et la mémoire principale a en général la même taille que le mot. Le nombre de mots par seconde véhiculés par le bus s'appelle la fréquence du bus * L'unité centrale est cadencée par une horloge interne. Chaque opération élémentaire est accomplie pendant un cycle d'horloge. Le nombre de cycles d'horloge par secondes est exprimé en MégaHertz (1 MHz = 1

8 million de cycles par seconde) ou en GigaHertz (1 GHz = 1 milliard de cycles par seconde). Plus la fréquence est rapide, plus le processeur est puissant. Mais il ne suffit pas que le processeur soit rapide pour que l'ordinateur le soit également, car il faut que les autres composants suivent la cadence! (par exemple le bus mémoire) Un micro-ordinateur, appelé aussi ordinateur individuel (PC signifie Personal Computer) est un ordinateur dont l'unité de calcul est un micro-processeur. La majorité des PCs construits actuellement (y compris ceux construits par Apple) possède un micro-processeur fabriqué par la société Intel. 3. Système d'exploitation et Interface Graphique Définition : Un système d exploitation (OS : Operating System en anglais) est un ensemble de programmes qui assurent deux fonctions principales : d une part assurer aux différentes tâches et/ou aux différents utilisateurs une bonne répartition des ressources de l ordinateur (mémoire, processeur(s), espace disque, réseau(x)), d autre part d offrir au programmeur et/ou à l utilisateur une vue abstraite de la machine lui permettant de l utiliser plus facilement. Le système d exploitation le plus courant sur les PC s appelle Windows. Il existe plusieurs versions de Windows : Windows XP et Vista en sont les versions les plus récentes. Windows est un système commercial, vendu par la société Microsoft. Le deuxième système le plus utilisé sur les PCs s'appelle Linux et est gratuit. Le Bureau (en anglais "Desktop") est la partie du système d exploitation qui gère les fichiers sur les unités de sauvegarde (disque dur, clé USB, DVD, etc). L utilisateur peut dialoguer avec le Bureau grâce à une interface graphique. Le Bureau (appelé Finder sous Mac OS) est un programme (une application) comme un autre. Il est chargé automatiquement dans la mémoire centrale dès que l on allume la machine. Un système d'exploitation est ouvert. On peut lui ajouter de nouvelles fonctionnalités grâce à des extensions (ex : pilotes de périphériques, anti-virus) Notion de mono/multi tâche, mono/multi utilisateurs On peut installer plusieurs systèmes d'exploitation sur une même machine et préciser au démarrage quel système on veut utiliser (chacun d'eux a des avantages et des inconvénients). Ainsi sur les machines Apple les plus récentes (les imac) on peut utiliser Mac OS ou Windows. Au démarrage, un tout petit programme situé en ROM permet de charger le système d exploitation du disque dur vers la mémoire centrale. Le S.E. est un très gros programme (plusieurs Mo) et met un certain temps à s installer dans la mémoire centrale.

9 Le clavier 4. Fichiers Définition : un fichier est un ensemble structuré d informations qui porte un nom. Concrètement un fichier est un ensemble d octets mémorisés sur une mémoire de masse (disque dur, clé USB, DVD). Si on veut travailler sur un fichier, on le copie (on le "charge") de la mémoire de masse vers la RAM de l'ordinateur On distingue trois types de fichiers : *les programmes (on dit aussi exécutables, ou binaires, ou applications) *les données (on dit aussi documents) (consommées et/ou produites par les programmes) *les répertoires (ou dossiers) qui contiennent des noms de fichiers. Chaque type de fichier contient non seulement des informations qui lui sont propres mais aussi des informations qui le caractérisent vis à vis du système d exploitation : par exemple, la date de sa création, son auteur, son volume en nombre d octets, etc. Sous Windows, pour consulter les propriétés d un fichier, cliquez avec le bouton droit de la souris sur l icône du fichier. Un menu contextuel (menu "popup") se déroule : choisissez la commande "Propriétés" Les fichiers sont représentés dans l interface graphique du Bureau par des icônes. L icône d une application et les icônes des documents produits par cette application se ressemblent souvent beaucoup (par exemple par le W de Word).

10 Lorsque l on double clique sur l icône d un fichier : * si celui-ci est un programme, le Bureau charge ce programme en mémoire centrale * si celui-ci est un document, le Bureau reconnaît quel type d application a créé ce document et charge alors le programme correspondant, puis le document * si celui-ci est un dossier, l icône s ouvre et on peut voir les fichiers contenus dans ce dossier. Organisation arborescente des fichiers Sur chaque volume, les fichiers sont organisés de façon hiérarchique Le Bureau permet de : * rechercher un fichier * dupliquer un fichier * déplacer un fichier * renommer un fichier Sauvegarde d'un document Lorsque l'on travaille avec une application (traitement de texte, tableur, navigateur Internet), plusieurs fichiers sont présents dans la mémoire centrale (la RAM) : * le fichier du programme, qui contient les instructions que le processeur exécute. * le ou les fichiers qui représente(ent) le ou les documents sur lesquels vous travaillez (lettres, pages Web). Si vous voulez conserver vos documents, il faut les sauvegarder sur une mémoire externe (disque dur, clé USB, etc), car quand vous quittez l'application avec laquelle vous travailliez, la RAM de l'ordinateur est remise à zéro : le programme avec lequel vous travailliez et les documents sont effacés de la mémoire vive. Pour sauvegarder un document, il y a trois choses à déterminer : 1) à quel endroit PRECIS de l'arborescence d'une des mémoires externes vous voulez sauvegarder votre document. 2) donner un nom (mnémonique) à votre fichier pour pouvoir l'identifier facilement ultérieurement 3) décider dans quel FORMAT vous voulez sauvegarder votre document : le format standard de l'application ou un autre format si vous voulez modifier ultérieurement votre document en utilisant une autre application ou une autre version (plus ancienne) de l'application qui a servi à le créer. Exemple : vous avez écrit un article en utilisant Writer sur PC et votre collègue coauteur travaille avec Word. Il faudra sauvegarder sous OpenOffice votre fichier au format Word. 5. Touches spéciales du clavier sous Windows Touche WINDOWS Affiche le menu Démarrer Affiche l'explorateur, pour naviguer dans l'arborescence des fichiers Affiche le bureau (Desktop) Affiche la fenêtre de Recherche (Find) Icônifie toutes les applications dans la barre de tâches

11 Sélectionne tout (All) ce qui se trouve dans la fenêtre active Copie ce qui est sélectionné Colle le contenu de ce qui a été copié (dans le presse-papier) Imprime le document actif (Print) Ferme la fenêtre active (Window) Défais la dernière action (Zero) Pour interrompre le programme qui s'affiche dans la fenêtre active (utile si ce programme est bloqué) Permet de sauter d'un programme à un autre Copie en mémoire le contenu de tout l'écran. Cette image peut ensuite être collée dans un logiciel comme Paint Déroule un menu contextuel. Même effet que le clic droit avec la souris Attention : certaines combinaisons de touches sont "dangereuses" Maj+Alt fait passer le clavier en mode QWERTY 6. Contenu des séances Les étudiants sont supposés avoir une connaissance minimale de la manipulation d'un micro-ordinateur sous Windows, Mac OS ou Linux. Séance 1 : Langage binaire, Généralités sur le matériel (architecture d un ordinateur) Séance 2 : Présentation Assistée par Ordinateur avec Impress Séance 3 : Projet Impress : sur le même sujet que le projet Writer Séance 4 : Calc 1 : adresse absolue, adresse relative Séance 5 : Calc 2 graphiques et fonctions y compris NB.SI et SI Séance 6 : Calc 3 : Compléments Séance 7 : Projet Calc Séance 8 : Writer avancé : styles, mode plan (utilisation du navigateur), génération d une table des matières, d un index, de notes de bas de page. Numérotation des pages. Insertion d images récupérées sur le Web. Travail collaboratif. Séance 9 : Projet Writer sur le même sujet que le sujet Impress : réalisation d'un dossier d une dizaine de pages avec texte et images prises sur le Web. Faire un plan (avec les styles Titres), une table des matières, un index Séance 10 : QCM (1 h) + Exposés (10mn par groupe)