Représentation des données

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1 Représentation des données Les informations traitées par un ordinateur peuvent être de différents types (texte, nombres, etc.) mais elles sont toujours représentées et manipulées par l'ordinateur sous forme binaire. Toute information sera traitée comme une suite de 0 et de 1. L'unité d'information est le chiffre binaire (0 ou 1), que l'on appelle bit (pour binary digit, chiffre binaire). Le codage d'une information consiste à établir une correspondance entre la représentation externe (habituelle) de l'information (le caractère A ou le nombre 36 par exemple), et sa représentation interne dans la machine, qui est une suite de bits. Enfin, les opérations arithmétiques de base (addition, multiplication etc.) sont faciles à exprimer en base 2 (noter que la table de multiplication se résume à 0x0 = 0, 1x0 = 0 et 1x1 = 1). 1Changement de base Avant d'aborder la représentation des différents types de données (caractères, nombres naturels, nombres réels), il convient de se familiariser avec la représentation d'un nombre dans une base quelconque (par la suite, nous utiliserons souvent les bases 2, 8, 10 et 16). Un bit est l élément de base avec lequel travaille l ordinateur : sa valeur est 1 ou 0. ( on peut comparer ça à : on/off ; vrai/faux ; marche/arrêt ; ) Pour compter en binaire, l ordinateur n a à sa disposition que 2 chiffres : 0 et 1. Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2 (dans notre système décimal, nous avons dix chiffres de 0 à 9, nous utilisons le système de numération en base 10). 1.1Représentation d un nombre en binaire Si nous utilisons 8 bits(1 octet est égal à 8bits) pour représenter un nombre : ^7 2^6 2^5 2^4 2^3 2^2 2^1 2^ Ex : = 0 x 2^7 + 0 x 2^6 +1 x 2^5 + 1 x 2^4 + 0 x 2^3 +1 x 2^2 + 1x 2^1 + 1 x2^0 = x x x x 2 +1 x 1 = = 55 Cette conversion de la base 2 en base 10 s écrit : ( )2 =(55)10 1

2 1.2 L hexadécimal Le système hexadécimal est un système de numération en base 16. Il utilise ainsi 16 symboles, en général les chiffres arabes pour les dix premiers chiffres et les lettres A à F pour les six suivants. Valeur Hexadécimal : 0 ; 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; A ; B ; C ; D ; E ; F Valeur Décimal : 0 ; 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 ;11 ;12 ;13 ;14; 15 Un entier est écrit comme la concaténation de ces chiffres, et sa lecture s'effectue de droite à gauche. Sa valeur vaut la somme des chiffres affectés de poids correspondant aux puissances successives du nombre 16. Ex : 4D5 16 = 5 * * * 16 2 = FA7B 16 =11 * * * * 16 3 = * * 4096 = Conversion de la Base 2 vers la base 16 Pour convertir une valeur binaire binaire en valeur hexadecimal, il suffit de diviser la valeur binaire en groupe de 4 bits. ex : ( ) 2 = (?) x x x x2 0 1 x x x x E ( ) 2 = ( 3E ) 16 2

3 1.4 Conversion de la base 16 en base 2 II suffit de convertir chaque valeur Hexadécimal en groupe de 4 bits. (8F) 16 = (?) 2 8 F x x x x x 2 0 (8F) 16 = ( ) Conversion de la base 10 vers la base 2 Nombres entiers On procède par divisions successives. On divise le nombre par la base, puis le quotient obtenu par la base, et ainsi de suite jusqu'a obtention d'un quotient nul. Ex : (54) 10 = (110110) Représentation des nombres fractionnaires Les nombres fractionnaires sont ceux qui comportent des chiffres après la virgule. Dans le système décimal, on écrit par exemple : 12,346 = En général, en base b, on écrit : a n a n 1... a 1 a 0, a 1 a 2... a p = a n b n + a n 1 b n a 0 b 0 + a 1 b a p b p 3

4 1.7Nombres fractionnaires en Binaire On multiplie la partie fractionnaire par la base en répétant l'opération sur la partie fractionnaire du produit jusqu'a ce qu'elle soit nulle (ou que la précision voulue soit atteinte). Pour la partie entière, on procède par divisions comme pour un entier. Exemple : conversion de (54,25) 10 en base 2 Partie entière : (54) 10 = (110110) 2 par divisions. Partie fractionnaire : 0,25 x 2 = 0,50 a 1 = 0 0,50 x 2 = 1,00 a 2 = 1 0,00 x 2 = 0,00 a 3 = 0 (54,25) 10 =(110110,010) Opérations arithmétiques Les opérations arithmétiques s'effectuent en base quelconque b (2, 8, 16)avec les mêmes méthodes qu'en base 10. Une retenue ou un report apparait lorsque l'on atteint ou dépasse la valeur b de la base. 2 Codification des nombres 21 Codification des nombres entiers La représentation (ou codification) des nombres est nécessaire afin de les stocker et manipuler par un ordinateur. Le principal problème est la limitation de la taille du codage : un nombre mathématique peut prendre des valeurs arbitrairement grandes, tandis que le codage dans l'ordinateur doit s'effectuer sur un nombre de bits fixé. Entiers naturels Les entiers naturels (positifs ou nuls) sont codés sur un nombre d'octets fixé (un octet est un groupe de 8 bits). On rencontre habituellement des codages sur 1, 2 ou 4 octets, plus rarement sur 64 bits (8 octets, par exemple sur les processeurs Alpha). Un codage sur n bits permet de représenter tous les nombres naturels compris entre 0 et 2 n 1. Par exemple sur 1 octet, on pourra coder les nombres de 0 à 255 =

5 On représente le nombre en base 2 et on range les bits dans les cellules binaires correspondant à leur poids binaire, de la droite vers la gauche. Si nécessaire, on complète à gauche par des zéros (bits de poids fort). Entiers relatifs et le complément à deux Il faut ici coder le signe du nombre. On utilise le codage en complément à deux, qui permet d'effectuer ensuite les opérations arithmétiques entre nombres relatifs de la même façon qu'entre nombres naturels. 1. Entiers positifs ou nuls : On représente le nombre en base 2 et on range les bits comme pour les entiers naturels. Cependant, la cellule de poids fort est toujours à 0 : on utilise donc n 1 bits. Le plus grand entier positif représentable sur n bits en relatif est donc 2 n Entiers négatifs : Soit x un entier positif ou nul représenté en base 2 sur n 1 bits Pour obtenir le codage d'un nombre x négatif, on code en binaire sa valeur absolue sur n 1 bits, puis on complémente (ou inverse) tous les bits et on ajoute 1. Exemple : soit à coder la valeur -2 sur 8 bits. On exprime 2 en binaire, soit Le complément à 1 est On ajoute 1 et on obtient le résultat : Le complement à 1 est : Remarques : a. le bit de poids fort d'un nombre négatif est toujours 1; Entier relatif et bit de signe Le bit de signe est le bit le plus significatif du code ( MSB Most Significant Bit ), celui qui est le plus à gauche. Dans le cas d'un nombre de n bits numérotés de 0 à n-1, c'est le bit n-1. Bien souvent on se contente de constater que ce bit est à 1 pour en conclure que le nombre considéré est négatif. La valeur absolue de ce nombre est alors déterminée en calculant le complément arithmétique de son code. Il suffit d affecter un bit pour le signe et d'attribuer par convention : la valeur 0 au signe + la valeur 1 au signe -. 5

6 Ainsi le nombre +32 s'écrira dans le système binaire : Le nombre -32 s écrira : Représentation des caractères Les caractères sont des données non numériques : il n'y a pas de sens à additionner ou multiplier deux caractères. Par contre, il est souvent utile de comparer deux caractères, par exemple pour les trier dans l'ordre alphabétique. Les caractères, appelés symboles alphanumériques, incluent les lettres majuscules et minuscules, les symboles de ponctuation (& ~,. ; # " - etc...), et les chiffres. Un texte, ou chaîne de caractères, sera représenté comme une suite de caractères. Le codage des caractères est fait par une table de correspondance indicant la configuration binaire représentant chaque caractère. Les deux codes les plus connus sont l'ebcdic (en voie de disparition) et le code ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Le code ASCII représente chaque caractère sur 7 bits (on parle parfois de code ASCII étendu, utilisant 8 bits pour coder des caractères supplémentaires). Notons que le code ASCII original, défini pour les besoins de l'informatique en langue anglaise) ne permet la représentation des caractère accentués (é, è, à, ù,...), et encore moins des caractères chinois ou arabes. Pour ces langues, d'autres codages existent, utilisant 16 bits par caractères. La table page donne le code ASCII. A chaque caractère est associé une configuration de 8 chiffres binaires (1 octet), le chiffre de poids fort (le plus à gauche) étant toujours égal à zero. La table indique aussi les valeurs en base 10 (décimal) et 16 (hexadécimal) du nombre correspondant. Plusieurs points importants à propos du code ASCII : Les codes compris entre 0 et 31 ne représentent pas des caractères, ils ne sont pas affichables. Ces codes, souvent nommés caractères de contrôles sont utilisés pour indiquer des actions comme passer à la ligne (CR, LF), émettre un bip sonore (BEL), etc. Les lettres se suivent dans l'ordre alphabétique (codes 65 à 90 pour les majuscules, 97 à 122 pour les minuscules), ce qui simplifie les comparaisons. On passe des majuscules au minuscules en modifiant le 5ième bit, ce qui revient à ajouter 32 au code ASCII décimal. Les chiffres sont rangés dans l'ordre croissant (codes 48 à 57), et les 4 bits de poids faibles définissent la valeur en binaire du chiffre. 6

7 Décimal Hexa Binaire Caractère Décimal Hexa Binaire Caractère NUL ESPACE ! STX " ETX # EOT $ % ACK & BEL ' ( ) 10 A LF 42 2A * 11 B B C C , 13 D CR 45 2D E E F F / NAK

8 A A : 27 1B B ; 28 1C C < 29 1D D = 30 1E E > 31 1F F ? Décimal Hexa Binaire Caractère Décimal Hexa Binaire Caractère ` A a B b C c D d E e F f G g H h I i 74 4A J 106 6A j 75 4B K 107 6B k 76 4C L 108 6C l 77 4D M 109 6D m 8

9 78 4E N 110 6E n 79 4F O 111 6F o P p Q q R r S s T t U u V v W w X x Y y 90 5A Z 122 7A z 91 5B [ 123 7B C \ 124 7C D ] 125 7D E ^ 126 7E ~ 95 5F _ 127 7F Représentation des nombres réels (norme IEEE) cf. représentation virgule flottante 9

10 5 L Octet 5.1 L Octet Un octet est un ensemble de 8bits. En fait l ordinateur ne calcule jamais sur 1 bit à la fois, mais sur un ou plusieurs octets. (ce qui fait 8bits ou plus, mais toujours des multiples de 8 bits). Les premiers ordinateurs personnels étaient sur 8 bits. (ils ne comptaient que sur 1 octet à la fois) Les systèmes d exploitation (ou OS) ont évolué pour passer de 8 bits à 16 bits (la série des windows 1 à Windows 3.xx), à 32 bits (Windows 95 à Windows 7 32bits) et enfin à 64bits (Windows XP 64bits à Windows 10). Les nouveaux ordinateurs sont 64 bits (c est à dire qu ils calculent sur 8 octets à la fois (8 octets x 8 bits = 64 bits)). Les éléments qui composent l ordinateur (Processeur, bus de données, etc) sont en 64bits. Ils peuvent donc ainsi adresser plus d informations en une seule fois (2 fois plus qu en 32bits). 5.2 Byte 1 Byte = 1 octet (soit 8 bits). Donc 1 Byte = 8 bits (notez majuscule /minuscule «B» pour Byte et «b» pour bit). Donc il faut retenir : 1 Byte = 1 octet = 8 bits 5.3 Notion entre bit Byte et octet On écrit les valeurs des bits avec un «b» (b miniscule) On écrit les valeurs des bytes avec un «B» (B majuscule) On écrit les valeurs des octets avec un «o» (o miniscule). Ainsi, une valeur de disque dur s exprimera de la façon suivante : 50GB ou 50Go (mais surtout pas 50Gb comme on peut le trouver, même dans des articles de grands médias). 10

11 Voici ce que l on peut trouver : KB = Kilo Bytes, MB = Méga Bytes, GB = GigaBytes, TB TeraBytes, Ko = Kilo octets, Mo = Méga octets, Go = Giga octets, Tera Octets Kb = Kilo bits, Mb = Méga bits Echelle de valeurs (ancien système, avant la normalisation des préfixes binaires de 1998) 1 kilooctet ( 1 ko ) = 1024 octets 1 mégaoctet (1 Mo = 1024 k0 = octets 1 gigaoctet (1 Go) = 1024 Mo = octets 1 téraoctet (1 To) = 1024 Go = octets 1 pétaoctet (1 Po) = 1024 To = octets 1 exaoctet ( 1 Eo) = 1024 Po 1 zettaoctet ( 1Zo) = 1024 Eo 1 yottaoctet (1 Yo) = 1024 Zo Echelle de valeurs (nouveau système depuis 1998) La normalisation des préfixes binaires de 1998 par la Commission électrotechnique internationale spécifie les préfixes suivants pour représenter les puissances de 2 : kibi pour «kilo binaire» ; mébi pour «méga binaire» ; gibi pour «giga binaire» ; tébi pour «téra binaire» ; et ainsi de suite. Concernant les multiples de l'octet, cela donne : 1 kibioctet (Kio) = 2 10 octets = octets 1 mébioctet (Mio) = 2 20 octets = Kio = octets 1 gibioctet (Gio) = 2 30 octets = Mio = octets 1 tébioctet (Tio) = 2 40 octets = Gio = octets 1 pébioctet (Pio) = 2 50 octets = Tio = octets 1 exbioctet (Eio) = 2 60 octets = Pio = octets 1 zébioctet (Zio) = 2 70 octets = Eio = octets 1 yobioctet (Yio) = 2 80 octets = Zio = octets 11

12 Les préfixes kilo, méga, giga, téra, etc. correspondent aux mêmes multiplicateurs que dans tous les autres domaines : des puissances de 10. Appliqué à l'informatique, cela donne : 1 kilooctet (ko) = 10 3 octets = octets 1 mégaoctet (Mo) = 10 6 octets = ko = octets 1 gigaoctet (Go) = 10 9 octets = Mo = octets 1 téraoctet (To) = octets = Go = octets 1 pétaoctet (Po) = octets = To = octets 1 exaoctet (Eo) = octets = Po = octets 1 zettaoctet (Zo) = octets = Eo = octets 1 yottaoctet (Yo) = octets = Zo = octets Sachez que les constructeurs expriment le plus souvent les tailles de leurs disques durs en Go ou GB (nouvelle norme) car c est à leur avantage. Un disque de 10GB (nouvelle norme) est plus petit qu un disque de 10GB (ancienne norme) ( octets contre octets). Si votre disque dur fait 20Go l écart entre les 2 normes est faible (6% en Go). Mais un disque dur de 20Go (ou 20GB) est plus petit qu un disque dur de 20Gio (si tout est exprimé en nouvelle norme). 12

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