Plan de l année. Informatique pour tous - Cours 1 Une introduction. Algorithmique et programmation. Architecture des ordinateurs

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1 Plan de l année Informatique pour tous - Cours 1 Une introduction B.Durand, H.Faou, D.Rupprecht Lycée Fermat année 2016/2017 Quatre parties générales Architecture des ordinateurs et système informatique Algorithmique et programmation Simulation numérique Bases de données Architecture des ordinateurs Algorithmique et programmation Un mélange de généralités sur l informatique et un peu de théorie sur la représentation des nombres en machine Généralités sur l informatique Composants d un ordinateur, systèmes d exploitation Nombres binaires et représentation des entiers Représentation des réels : les nombres flottants L informatique, ce n est pas que la programmation Généralité sur l algorithmique Théorie : invariants de boucles, terminaison, complexité des algorithmes. Quelques algorithmes classiques Programmation (en Python)

2 Simulation numérique Bases de données Utilisation des modules Numpy/Scipy de Python et présentation de Scilab Présentation de ces bibliothèques Résolution numérique d équations Équations différentielles Systèmes linéaires (inversion de matrices) Une initiation aux bases de données Vocabulaire des bases de données Utilisation de BDD, création de bases simples Requêtes sur des BDD Définition Larousse : Science du traitement automatique et rationnel de l information considérée comme le support des connaissances et des communications. Ensemble des applications de cette science, mettant en uvre des matériels (ordinateurs) et des logiciels. L informatique n est pas : la science des ordinateurs (du point de vue matériel) la science des logiciels (utilisation de logiciels) «L informatique n est pas plus la science des ordinateurs que l astronomie n est celle des télescopes.» (E.Dijkstra) Quelques dates 1624 : Wilhem Schickard construit une «horloge automatique calculante» : la «Pascaline» capable de faire des additions et des soustractions, améliorée en 1673 par Leibniz (multiplication, division) 1805 : métiers à tisser automatiques par Jacquart avec des «programmes» sous forme de cartes perforées 1936 : Alan Turing propose une définition de ce que sera une «machine de Turing» 1945 : architecture interne d un calculateur universel (ordinateur) : «architecture de Von Neumann».

3 Les premiers ordinateurs Autres dates 1943 : Le Colossus, calculateur à tubes à vide, puis l ENIAC en : invention du transistor 1949 : premier ordinateur construit suivant l architecture de Von Neumann, l EDVAC 1958 : premier ordinateur à transistors (IBM 7044 avec 64 Ko de mémoire) 1973 : les premiers micro-ordinateurs avec clavier et écran : l Apple II (et création d Apple) 1969 : création d Unics (qui deviendra Unix) base de beaucoup d autres systèmes : premier transfert de fichiers à distance (réseau Arpanet) 1975 : création de Microsoft par Bill Gates et Paul Allen et commercialisation du BASIC 1991 : le premier noyau Linux par Linus Torvalds 1992 : le premier navigateur internet (Mosaïc) 1998 : Google Machine de Turing Concept informatique abstrait : un ruban infini divisé en cases consécutives, chaque case contient un symbole d un alphabet fini, une tête de lecture/écriture un registre d état (nombre d états fini) une table d action (quoi écrire, comment se déplacer, nouvel état en fonction du symbole lu et de l état courant) Il existe une machine de Turing universelle qui permet de simuler n importe quelle machine de Turing Les problèmes résolubles sont exactement ceux résolubles par un algorithme Qu est ce qu un ordinateur? Un ordinateur machine capable de traiter les informations transmises et d exécuter n importe quel algorithme soumis L architecture d un tel ordinateur (Von Neumann) est assez simple : unité de contrôle (UC) et une unité arithmétique et logique (UAL) mémoire (ROM, RAM et de masse) des périphériques d entrée/sortie

4 Le processeur Les mémoires contient l UC et l UAL. va chercher ses données dans la mémoire Il est séquentiel : il ne sait exécuter qu une instruction à la fois et ensuite passer à la suivante (ou se brancher à une autre instruction). Loi de Moore (1965) Le nombre de transistors double tous les 2 ans et la puissance tous les 18 mois Plusieurs types de mémoire mémoire morte (ROM) : mémoire figée, en général contient le BIOS (Basic Input/Output System) ou (U)EFI (Unified Extensible Firmware Interface) mémoire vive (RAM) mémoire de masse (stockage) : bande magnétique, disquette, disque dur, mémoire flash, SSD Éléments caractéristiques : fréquence d horloge (Hz) et maintenant nombre de coeurs (et beaucoup d autres choses) Les entrées/sorties Carte mère, processeur, mémoires... clavier, souris carte graphique, son, écran, imprimante disque, réseau Besoin de standards remarque : le modèle de Von Neumann a un peu évolué les entrées/sorties sont gérées par des processeurs autonomes (et pas l UC) les ordinateurs disposent de plusieurs processeurs (coeurs)

5 But d un système d exploitation Différents systèmes d exploitations controler les accès aux disques, aux données et aux autres périphériques gérer l organisation des données sur les disques (système de fichiers) gérer les utilisateurs et leurs interactions avec l ordinateur (utilisateurs, droits d accès) permettre l exécution de programmes, gère les demandes de processeur de la part des programmes et les communications entre ces programmes si possible, permettre d exécuter plusieurs programmes à la fois (multitâche : temps partagé) s assurer que tout cela se passe bien (contrôle des erreurs) Pour les systèmes actuels : Windows et Windows Phone Mac OS X, ios (basés sur Unix) GNU/Linux, Android beaucoup d autres plus ou moins connus/utilisés (Symbian OS, les BSD... ) L Algorithmique Langage de base Algorithme processus systématique de résolution d un problème permettant de décrire les étapes vers le résultat de nombreux paramètres à prendre en compte machine : séquentielle, parallèle ou distribuée temps de calcul (complexité moyenne, la pire) taille mémoire calcul exact ou approché / déterministe ou probabiliste? On a besoin d assez peu de concepts pour décrire les algorithmes qu on va utiliser (en plus des opérations élémentaires) Les structures de contrôle séquences (suites d instructions) les boucles (conditionnelles et inconditionnelles) les structures conditionnelles (tests) Les structures de données définir des constantes et des variables les tableaux (les structures itératives)

6 Présentation d un algorithme Les points importants but de l algorithme les données d entrée les sorties l algorithme lui-même, bien présenté (indentation des blocs) Et surtout démontrer que cela fonctionne!!! Un exemple d algorithme Algorithme : Reste de la division euclidienne Données : a entier positif, b entier strictement positif Sorties : reste de la division euclidienne de a par b début r a tant que r b faire r r b retourner r Invariant : même reste dans la division par b pour a et r (ou a r divisible par b) Terminaison : les valeurs de r forment une suite d entiers positifs strictement décroissante Correction : lorsqu on sort, r est un entier positif, strictement inférieur à b et de même reste que a (ou a = kb +r). Notations Variables nom à choisir convenablement (simple si la signification le permet, plus descriptif sinon) affectation avec une flêche : var val signifie qu on affecte la valeur val à la variable var Branchement conditionnel Algorithme : test si condition alors bloc du alors sinon si condition alors bloc du sinonsi sinon bloc du sinon Notations Boucles inconditionnelles Algorithme : boucle for pour var dans valeurs faire... bloc de la boucle... Boucles conditionnelles Algorithme : boucle while tant que test faire... bloc de la boucle...

7 Quelques exemples Quelques exemples Le premier diviseur Valeur absolue Algorithme : valeur absolue Données : x un réel Sorties : valeur absolue de x si x 0 alors retourner (x) sinon retourner ( x) Algorithme : Calcul du premier diviseur Données : n entier supérieur ou égal à 2 Sorties : le premier diviseur de n supérieur à 2 pour d de 2 à n faire si d divise n alors retourner d Modifier cet algorithme : en utilisant une boucle «Tant que». comment améliorer le test d arrêt? pour afficher la liste de tous les diviseurs de n Quelques exercices Écrire les algorithmes liés aux problèmes suivants : on se donne deux variables a et b et on veut échanger leur contenu. on se donne trois réels a,b et c et on veut déterminer leur maximum. tester si un entier n est pair. on se donne un entier naturel p, un réel x et on veut calculer x p. même question avec p entier relatif. si a N et b N alors il existe un unique couple (q,r) N 2 tel que a = bq +r avec 0 r < b. Modifier l algorithme de calcul du reste pour obtenir ce couple. Qu est ce que Python? Avantages langage interprété simple à écrire et à relire (si on respecte certaines bonnes habitudes de programmation) libre, gratuit et multi-plateforme orienté objet peu d instructions et de très nombreuses librairies (calcul, internet... ) typage dynamique Inconvénients langage interprété, donc plus lent (enfin à part pour des calculs très lourds, c est très largement suffisant) typage dynamique (pas de typage fort)

8 Les distributions Python Historique et versions Une distribution contient et installe l interpréteur Python (et son éditeur IDLE) beaucoup de librairies diverses au moins un environnement de développement Distributions usuelles Pyzo : Windows, Linux, Mac Python(x,y) (pour Windows) WinPython Certaines distributions sont portables : elles peuvent se décompresser et s utiliser directement à partir d une clé USB une première version publié par Guido Van Rossum en février 1991 (les débuts remontent à fin 1989) janvier 1994 : version 1.0 octobre 2000 : version 2.0 décembre 2008 : version changement majeur car pas de compatibilité avec la version 2 juillet 2010 : version dernière version majeure pour la branche 2, pour prendre en compte certaines améliorations de Python 3.1 septembre 2015 : version 3.5.0