Introduction à l'informatique

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1 Introduction à l'informatique Généralités Rappels M. Deloizy Informatique - Généralités 1 Notion d'algorithme M. Deloizy Informatique - Généralités 2 1

2 Algorithme Ensemble de règles opératoires propres à un calcul Calcul, enchaînement des actions nécessaires à l'accomplissement d'une tâche Petit Robert : Méthode proposée pour le traitement d'un problème par un automate Humain ou machine Traitement systématique M. Deloizy Informatique - Généralités 3 Exemple d'algorithme Recette de cuisine : Nom de la recette Ingrédients Réalisation Gâteau au yaourt M. Deloizy Informatique - Généralités 4 2

3 Définition d'un algorithme But recherché (que doit faire l'algorithme?) un gâteau au yaourt pour 6 personnes Outils disponibles Opérateurs, données, règles associées Yaourts, œufs, sucre, huile, sel, levure, moule, four Enchaînement des actions Ordre de traitement Description de la séquence d'actions nécessaires à la réalisation de la recette M. Deloizy Informatique - Généralités 5 Algorithme universel Non lié à un langage de programmation Non lié à une machine Mais Peut être plus ou moins adapté à un type d'automate M. Deloizy Informatique - Généralités 6 3

4 Exemple : Multiplication Classique : 34 x Nécessite la connaissance des tables de multiplication M. Deloizy Informatique - Généralités 7 pair Multiplication à la Russe Uniquement des multiplications par 2, des divisions par 2 et des additions adapté au calcul par des circuits logiques M. Deloizy Informatique - Généralités 8 4

5 Algorithmes multiples Pour résoudre une application, il existe souvent plusieurs algorithmes. Le choix sera fait selon : La rapidité d'exécution La facilité de mise en œuvre par l'automate Le type de données à traiter M. Deloizy Informatique - Généralités 9 Support matériel Architecture d'un ordinateur M. Deloizy Informatique - Généralités 10 5

6 Architecture d'un ordinateur 3 éléments : Le processeur La mémoire Les périphériques M. Deloizy Informatique - Généralités 11 Le processeur Le cœur du système Rôle : Traiter des informations binaires Lire des informations depuis la mémoire Écrire des informations dans la mémoire Réaliser des opérations élémentaires sur infos. Traitement des informations selon un "programme" lu de manière séquentielle au rythme d'une horloge M. Deloizy Informatique - Généralités 12 6

7 La mémoire Stockage Des informations Des programmes ROM Données permanentes RAM Données temporaires Utilisée par le processeur pour le traitement des données et des programmes M. Deloizy Informatique - Généralités 13 La mémoire de masse Stockage de grande capacité Bandes magnétiques, disques, CD, DVD Mémoire non volatile Réinscriptible Pas d'accès direct par le processeur mémoire "lente" (quelques ms) RAM : quelques ns M. Deloizy Informatique - Généralités 14 7

8 Les Périphériques Organes de communication Disposés entre le processeur et le monde extérieur Permettent les échanges avec : L'utilisateur Une autre machine Exemples : Écran, clavier, ports série ou parallèle, USB, réseaux, modem M. Deloizy Informatique - Généralités 15 Le système d'exploitation Permet le dialogue entre l'utilisateur et la machine Gestion des ressources de l'ordinateur Scrutation permanente des sollicitations de l'environnement Contient un interpréteur de commandes Exemples : MS-DOS Windows Unix, M. Deloizy Informatique - Généralités 16 8

9 Les outils de développement L'éditeur de texte L'assembleur Le compilateur L'éditeur de liens Le débuggeur L'interpréteur M. Deloizy Informatique - Généralités 17 L'éditeur de textes Programme permettant la saisie du texte contenant le programme source Éditeur pleine page Enregistrement et récupération de fichier en mémoire de masse Modification aisée du texte Outils divers : Copier-coller Recherche, remplacement Aide à la lisibilité (indentation, coloration, ) M. Deloizy Informatique - Généralités 18 9

10 Le code machine Programme "lu" par le processeur : binaire code machine Exemple : B charger A par cont. 3000H 8B 05 ajouter 05H à A F ranger le résultat en 3001H Programmation longue et fastidieuse Très peu lisible, risque d'erreurs élevé M. Deloizy Informatique - Généralités 19 L'assembleur Écriture du code machine en texte clair utilisation de mnémoniques Exemple : LDAA $3000 ADDA #$05 STAA $3001 charger A par cont. 3000H ajouter 05H à A ranger le résultat en 3001H Saisie du texte par un éditeur de textes Texte traduit en code machine par un programme : l'assembleur Amélioration de la lisibilité M. Deloizy Informatique - Généralités 20 10

11 Problèmes liés à l'assembleur Langage du processeur Très différent du langage naturel Pas de gestion évoluée des données Pas de système de protection Propre à chaque processeur Maintenance difficile Portabilité nulle Mais : grande efficacité (pour un bon programmeur) M. Deloizy Informatique - Généralités 21 But : Le compilateur S'affranchir du type de processeur S'affranchir de l'environnement matériel et logiciel Écriture des programmes en langage naturel langage évolué Compilateur : Traduit le texte (source) en code machine M. Deloizy Informatique - Généralités 22 11

12 Utilisation d'un compilateur Bonne lisibilité des programmes Bonne portabilité Gestion de données complexes Gestion de la mémoire du système Gestion standard des périphériques Rapidité d'écriture des programmes Maintenance aisée En + : Optimisation des programmes Systèmes de protection, garde-fous M. Deloizy Informatique - Généralités 23 Défaut des compilateurs Langage évolué très différent du langage machine traduction parfois difficile surcode parfois excessif Exécutable volumineux, lent Vrai avec processeurs anciens ou peu performants M. Deloizy Informatique - Généralités 24 12

13 L'éditeur de liens Création d'un programme : Écriture d'un programme source (texte) Compilation Programme objet (binaire, code machine incomplet) Bibliothèques personnelles Éditeur de liens Bibliothèques du langage Programme exécutable (binaire autonome) M. Deloizy Informatique - Généralités 25 Utilisation de l'éditeur de liens Bibliothèques personnelles extension du langage à sa convenance Portions de programmes réutilisables Dépannage ou amélioration d'une bibliothèque dépannage ou amélioration de tous les programmes qui en dépendent M. Deloizy Informatique - Généralités 26 13

14 Le débuggeur Outil permettant le dépannage des programmes (exécutables) Consultation des données Exécution instruction par instruction Points d'arrêt Souvent intégré dans IDE (Integrated Development Environment) ou EDE (Embedded Development Environment) Éditeur + Compilateur + Éditeur de liens + Débugger M. Deloizy Informatique - Généralités 27 L'interpréteur Exécute le programme pendant la lecture du code source Très lent (chaque instruction est interprétée puis exécutée à chaque utilisation) Présence de la totalité des bibliothèques du langage indispensable Le programme n'est pas autonome (exécuté sous le contrôle de l'interpréteur) Pas d'éditeur de liens Pas d'optimisation de code M. Deloizy Informatique - Généralités 28 14

15 Données utilisées en informatique M. Deloizy Informatique - Généralités 29 Représentation des données Types des données Choisi en fonction de l'utilisation Exemples : Comptage d'un nombre d'étudiants Calcul du sinus d'un angle Écriture d'un texte Données codées en binaire Pour le traitement par le processeur Définition d'un mode de rangement en mémoire pour chaque type de donnée Limitations liées au codage utilisé M. Deloizy Informatique - Généralités 30 15

16 Signé :, -2, -1, 0, 1, 2, Non signé 0, 1, 2, Le type entier Traitement de données entières Adapté aux énumérations M. Deloizy Informatique - Généralités 31 Valeurs limites Codage Signé Non signé 8 bits min max min max H 7F H 0 H FF H 16 bits bits Rem. : En représentation signée, le signe du nombre est donné par le bit de poids le plus fort (1 pour négatif) M. Deloizy Informatique - Généralités 32 16

17 Opérations possibles Arithmétiques Addition (+) Soustraction (-) Multiplication(*) Division entière (/) Modulo (%) Reste de la division entière M. Deloizy Informatique - Généralités 33 Opérations possibles Logiques (bit à bit) ET logique (&) OU logique ( ) OU exclusif (^) Complément à 1 (~) Comparaisons ==, <, >, <=, >=,!= M. Deloizy Informatique - Généralités 34 17

18 Notation nnn 12, -5, +3, 0 M. Deloizy Informatique - Généralités 35 Intérêt des entiers : Utilisation Valeurs exactes, pas d'imprécision Adaptés au comptage, dénombrement Inconvénient : Dynamique limitée Pas de très grand nombre Pas de très petit nombre Inadaptés au calcul scientifique M. Deloizy Informatique - Généralités 36 18

19 Le type booléen Résultat d'une expression logique 2 valeurs possibles : Vrai ou Faux Opérateurs : ET, OU, NON : résultat booléen Ex. : Vrai OU Faux Vrai Vrai ET Vrai Vrai NON Vrai Faux Codage : 1 bit suffit M. Deloizy Informatique - Généralités 37 Le type à virgule flottante Nombres réels (positifs et négatifs) Notation mantisse exposant Permettent une grande dynamique : Très petites valeurs (Ex. : ) Très grandes valeurs (Ex. : ) Problème d'imprécision : Ex. : entre 2.0 et 2.1 infinité de valeurs codage machine nombre de valeurs fini Présence d'arrondis M. Deloizy Informatique - Généralités 38 19

20 Codage Exemple de codage sur 32 bits (IEEE) Mantisse sur 24 bits Exposant sur 8 bits m. 2 e S : signe (1 : négatif, 0 : positif) m : mantisse (1 m < 2) m = 1.xxxxx e : exposant (-128 e 127) f : partie fractionnaire de la mantisse e' : e+127 (1 e' 254) e' f S b 31 b 30 b 23 b 22 b 0 M. Deloizy Informatique - Généralités 39 Valeurs limites e' f S b 31 b 30 b 23 b 22 b 0 Valeur la plus petite positive : S = 0 e' = 1 e = -126 f = 0 m = 1.0 V min = Valeur la plus grande positive : S = 0 e' = 254 e = 127 f = m = = V max = ( ) M. Deloizy Informatique - Généralités 40 20

21 Résolution Valeur suivante de 1.0 : = chiffres significatifs M. Deloizy Informatique - Généralités 41 Valeurs particulières m. 2 e avec m>1 ne permet pas de coder 0.0 Si e' = 0 codage de 0.0 Si e' = 255 codage de NAN M. Deloizy Informatique - Généralités 42 21

22 Autres codages Sur 64 bits (8 octets) : Mantisse sur 52 bits Exposant sur 11 bits Signe sur 1 bit 15 chiffres significatifs Valeurs limites Sur 80 bits 18 chiffres significatifs, M. Deloizy Informatique - Généralités 43 Opérations possibles Arithmétiques Addition (+) Soustraction (-) Multiplication(*) Division (/) Comparaisons ==, <, >, <=, >=,!= M. Deloizy Informatique - Généralités 44 22

23 Notation Forme générale : dd.dde xx dd.dd 10 xx nnn.nnn 2.0, , +4.5, 0.0.nnn ou nnn. 1., -.2, 0. nne nn ou nne nn 1E3, 5.22e-23, +3.2E-2 M. Deloizy Informatique - Généralités 45 Le type caractère Caractères codés pour représentation en machine 7 bits suffisent (128 caractères) Exemple de code : ASCII American Standard Code for Information Interchange Défini par ANSI (American National Standard Institute) M. Deloizy Informatique - Généralités 46 23

24 Codage ASCII Contient : Lettres minuscules et majuscules (ordre alphabétique) : 2x26 caractères Chiffres (ordre croissant de 0 à 9) Ponctuations, caractères typographiques, Caractères de contrôle (codes 0 à 31) Exemples : 'A' = 65, 'B' = 66, 'Z' = 90, 'a' = 97, '0' = 48 CR = 13, LF = 10, TAB = 9, FF = 12, BEL = 7 M. Deloizy Informatique - Généralités 47 Autres codages EBCDIC (IBM) ANSI (jeux de caractères internationaux) ASCII étendu Souvent sur 1 octet Rem. : le langage informatique prend en charge le codage (pas nécessaire de le connaître) M. Deloizy Informatique - Généralités 48 24

25 Notation et opérations possibles Notation : 'X', '0', '2' '\r', '\n', '\t' '\\', '\'' (caractère d'échappement : \ ) Opérations possibles : Additions, soustraction avec des entiers Ex. : 'A' + 1 'B' Comparaisons Ex. : 'A' < 'E' M. Deloizy Informatique - Généralités 49 Chaînes de caractères Ensemble ordonné de caractères représentant un mot, une phrase. Particularité : Nombre de caractères variable Taille très variable M. Deloizy Informatique - Généralités 50 25

26 Codage Codages possibles : <Nombre d'octets>, <oct1>, <oct2>,, <octn> limitation du nombre de caractères Exemple : "TOTO" : 04, 54, 4F, 54, 4F problème si plus de 255 caractères <oct1>, <oct2>,, <octn>, <délimiteur> le délimiteur ne doit pas faire parti du texte. Exemple : "TOTO" : 54, 4F, 54, 4F, 00 M. Deloizy Informatique - Généralités 51 Notation et opérations possibles Notation : "Bonjour" ne fait pas apparaître le codage Opérations possibles : Concaténation ("Bon" + "jour" "Bonjour") Accès à un caractère Taille de la chaîne ("Bonjour" 7) Comparaisons ("Alfred" < "Arthur") M. Deloizy Informatique - Généralités 52 26

27 Le type adresse Données et programmes rangés en mémoire Chaque donnée, chaque instruction a une adresse propre Le processeur accède aux données et aux instructions grâce à leur adresse adresse C32C H C32D H C32E H C32F H C330 H Contenu mémoire 2A H F0 H 12 H 45 H C5 H Variable toto c1 c2 x M. Deloizy Informatique - Généralités 53 Indirection Une donnée peut contenir une adresse pointe sur une autre donnée Ex. : ptr pointe sur c2 Pointeur On peut modifier c2 de manière indirecte en agissant sur ptr Indirection adresse C32C H C32D H C32E H C32F H C330 H Contenu mémoire C3 H 2F H 12 H 45 H C5 H Variable ptr c1 c2 x Remarque : On peut avoir des indirections multiples M. Deloizy Informatique - Généralités 54 27

28 Les tableaux Données rangées de manière contiguë en mémoire Données indicées (vecteurs) Tout type de donnée peut être organisé en tableau Exemple : t 0 t 1 t 2 t n Caractéristiques d'un tableau : Adresse du 1er élément Nombre d'éléments Type des données contenues M. Deloizy Informatique - Généralités 55 Constantes Données non modifiables Utilisées dans des expressions Exemple : P = 2.0 * PI * Rayon Constantes M. Deloizy Informatique - Généralités 56 28

29 Constantes explicites Valeur écrite explicitement L'écriture indique le type de la constante : 2, -3 : entiers 1.0, 2E4 : virgules flottantes 'z', '2' : caractères "TOTO" : chaîne de caractères M. Deloizy Informatique - Généralités 57 Constantes prédéfinies Utilisées par l'intermédiaire d'un nom de symbole Utilisation identique à constante explicite Avantages : Permet une meilleure lisibilité Facilite la maintenance Évite des écritures & modifications multiples réduit le risque d'erreurs Exemple : constante TVA = Pull_ttc = Pull_ht*(1+TVA) Chemise_ttc = Chemise_ht*(1+TVA) M. Deloizy Informatique - Généralités 58 29

30 Écriture d'un programme Principes de base M. Deloizy Informatique - Généralités 59 Constitution d'un programme Ensemble de fonctions ou procédures Une fonction particulière : démarrage du programme, point d'entrée M. Deloizy Informatique - Généralités 60 30

31 Fonctions Composées d'instructions Exécutées séquentiellement Instructions : Expressions, ex. : y=a+b, y=sin(a) Contrôle de déroulement, ex. : si y<0 alors Utilisation de données : variables ou constantes M. Deloizy Informatique - Généralités 61 Exemple de programme #include <stdio.h> int carre(int x) { int c; c = x*x; return c; } int main() { int v, r; printf("entrer un nombre : "); scanf("%d",&v); r = carre(v); printf("le carré de %d est %d\n",v,r); return 0; } M. Deloizy Informatique - Généralités 62 31

32 Noms des données Règles s'appliquent aux : Variables, constantes Noms de fonction et procédures Débutent par une lettre ou '_' Sont composés de lettres, chiffres et '_' Les lettres ne sont pas accentuées Minuscules et majuscules autorisés, distincts ou non Exemples : Titi, x, t12, _10, _A_, titi M. Deloizy Informatique - Généralités 63 Déclarations Donner un nom aux données utilisées Indiquer le type Indiquer la classe d'allocation Exemple : int a, b, toto; double v, res; char t[10]; static int z; M. Deloizy Informatique - Généralités 64 32

33 Classe d'allocation Façon dont la donnée est créée par le compilateur : Allocation statique : Donnée créée au chargement du programme Emplacement fixe pendant durée d'exécution Valeur laissée précédemment retrouvée à chaque accès Allocation dynamique : Donnée créée lors de la déclaration Valeur initiale aléatoire Donnée détruite en fin d'utilisation M. Deloizy Informatique - Généralités 65 Portée des données Données connues par la totalité du programme ou par une portion seulement : Donnée globale Toutes les fonctions du programme peuvent y accéder Donnée locale Définie pour une portion de programme (par exemple une fonction) Inconnue hors de cette portion M. Deloizy Informatique - Généralités 66 33

34 Règles de portée Deux variables ne peuvent pas avoir le même nom dans la même zone de portée Si une donnée locale porte le même nom qu'une donnée globale, la donnée globale devient inaccessible masquage de la donnée globale M. Deloizy Informatique - Généralités 67 Structures conditionnelles Contrôle du déroulement du programme M. Deloizy Informatique - Généralités 68 34

35 Structure conditionnelle simple Si <expression : booléen> alors finsi if (x<4) { y = 0; z = 2; } x = x+z; Exécuté si x < 4 M. Deloizy Informatique - Généralités 69 Structure conditionnelle alternative Si <expression : booleen> alors sinon finsi if (x<4) { z = 2; Exécuté si x < 4 } else { z = 3; Exécuté si x 4 } x = x+z; M. Deloizy Informatique - Généralités 70 35

36 Structure itérative Tant que Tant que <condition : booléen> faire FinTantQue i = 0; while (i<10) { printf("%d : %d\n", i, t[i]); i = i+1; } printf("%d valeurs.\n",i); Exécuté si i < 10 et re-exécuté tant que i < 10 Valeur de i : 10 M. Deloizy Informatique - Généralités 71 Structure itérative Faire tant que Faire tant que <condition : booléen> do { printf("entrer un nombre : "); scanf("%d",&v); } while (v < 0); printf("valeur : %d\n",v); Exécuté au moins une fois et Re-exécuté tant que v < 0 M. Deloizy Informatique - Généralités 72 36

37 Structure itérative Pour Pour <valeur initiale> jusqu'à <valeur finale> faire FinPour Facilité d'écriture Peut être remplacé par Tant que for(i=0; i<10; i++) { printf("valeur %d : ",i+1); scanf("%d",&t[i]); } M. Deloizy Informatique - Généralités 73 Branchement Aller à Détourner brutalement le déroulement du programme À éviter Manque de lisibilité Pas nécessaire if (x<0) { printf("erreur.\n"); goto fin; } fin: exit(1); M. Deloizy Informatique - Généralités 74 37

38 Instructions M. Deloizy Informatique - Généralités 75 Affectations Transfert de la valeur d'une expression dans une variable Exemple : x = 3+b; transfère (3+b) dans la variable x Variable Expression compatible M. Deloizy Informatique - Généralités 76 38

39 Affectations autorisées Entier Entier Virgule flottante Caractère Virgule flottante Virgule flottante Entier Caractère Caractère Entier Booléen Booléen Adresse Adresse M. Deloizy Informatique - Généralités 77 Expressions Arithmétiques ou logiques Utilisation d'opérateurs : Lecture de gauche à droite Prise en compte des priorités Ex. : y = 2*a + 3*b y = (2*a) + (3*b) Utilisation de ( ) pour forcer la priorité Priorités classiques : * et / ont la même priorité - et + ont la même priorité * et / sont prioritaires sur + et Les opérateurs logiques utilisent l'algèbre de Boole M. Deloizy Informatique - Généralités 78 39

40 Exemple : y a / 2/ x 3* b / 2 Priorités Quand appel de fonction : y Arguments évalués avant l'appel Fonction variable calculée Ex. : y = 2 * sin(x) y = sin(a + acos(b)*2) a 3 b 2 x 2 M. Deloizy Informatique - Généralités 79 Opérateurs logiques Utilisés dans les structures conditionnelles Utilisent l'algèbre de Boole ==,!=, <, >, <=, >=, &&,,! Exemple : if(!( (x<'a') (x>'z') ) ) A B A B A B if( (x>='a') && (x<='z') ) M. Deloizy Informatique - Généralités 80 40

41 Fonctions M. Deloizy Informatique - Généralités 81 Utilité des fonctions Décomposer un problème complexe en sous problèmes plus simples Analyse descendante Éviter la répétition de lignes de programmes Améliorer la lisibilité Faciliter la maintenance (constitution de bibliothèques) Renvoie une valeur dépendant de paramètres transmis Fonction qui ne renvoie rien : Procédure, sous-programme M. Deloizy Informatique - Généralités 82 41

42 À définir : Définition d'une fonction Nom de la fonction Type de la valeur renvoyée Type des paramètres transmis Exemples : Utilisation : double sin(double x) y = sin(3.0); void clrscr(void) clrscr( ); double pow(double y, double x) y = pow(2.0, 0.5)/2.0; M. Deloizy Informatique - Généralités 83 Fonctions et paramètres Lors de l'appel d'une fonction, les paramètres : Sont tout d'abord évalués Sont transmis dans l'ordre de leur écriture le type doit être compatible Exemple : void fct(int a, double x) { } a, x : variables locales à fct fct(3,2.0*sin(1.0)); M. Deloizy Informatique - Généralités 84 42

43 Transmission par valeur La valeur du paramètre est recopiée Valeur initiale du paramètre (variable locale de la fonction) int somme(int a, int b) { int s; s = a+b; (15) return s; } X = somme(2, 5*3); M. Deloizy Informatique - Généralités 85 Inconvénients de la transmission par valeur Paramètre encombrant (ex. : tableau) Une fonction ne renvoie qu'une valeur M. Deloizy Informatique - Généralités 86 43

44 Transmission par référence On transmet l'adresse du paramètre plutôt que sa valeur utilisation d'un pointeur (type adresse) M. Deloizy Informatique - Généralités 87 Pointeurs int v; int *p; p = &v; v est un entier p est l'adresse d'un entier (*p : entier) p prend comme valeur l'adresse de v Pour accéder à v, on utilise la notation *p signifie : l'entier pointé par p (ici : v) Pour charger 5 dans v, on peut donc écrire : v = 5 *p = 5 *(&v) = 5 M. Deloizy Informatique - Généralités 88 44

45 Pointeurs et fonctions int ProdQuot(int a, int b, int *p, int *q) { *p = a * b; if (b == 0) return 0; *q = a / b; return 1; } int main( ) { int u, v, x; x = 3; if (ProdQuot(x,2,&u,&v) == 0) { printf("%d x 2 = %d\n", x, u); } else { printf("%d x 2 = %d et %d / 2 = %d\n",x,u,x,v); } return 0; } M. Deloizy Informatique - Généralités 89 Fonctions réentrantes Fonction exécutée plusieurs fois simultanément appelée de nouveau pendant son exécution Systèmes multi-tâches Interruptions Contrainte : Pas de donnée statique Utilisation de données dynamiques Nouvelles données à chaque déclaration Données propres à chaque appel de fonction M. Deloizy Informatique - Généralités 90 45

46 Fonctions récursives Fonction qui se rappelle elle-même L'appel peut être direct ou non Particularités : Fonctions réentrantes Un point de sortie doit être prévu Intérêt : Écriture condensée et rapide de programmes Inconvénients : Peu efficace à l'exécution Gourmand en ressources M. Deloizy Informatique - Généralités 91 Langage C M. Deloizy Informatique - Généralités 92 46