Partie 1. Professeur : Haouati Abdelali. CPGE Lycée Omar Ibn Lkhattab - Meknès haouaticpge@gmail.com

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1 Partie 1 Professeur : Haouati Abdelali CPGE Lycée Omar Ibn Lkhattab - Meknès haouaticpge@gmail.com

2 Partie I : Généralités et algorithmique de base 1. Environnement matériel et logiciel d un système informatique Un système informatique est un système ayant pour objet le traitement automatique de l information. Il est constitué de deux composants : - Le matériel (Hardware) : Matériel utilisé pour le traitement automatique de l information. On l appelle Ordinateur. On trouve différents types d ordinateurs qu on peut classer par : o Domaine d application : Ordinateur Personnel (PC), Serveur, Système embarqué, o Taille : * Ordinateur de poche (Assistant numérique personnel, Smartphone) * Ordinateur portable (Ultraportable, Tablette tactile, Ordinateur portable) * Ordinateur de bureau (Mini PC, Ordinateur de bureau, Station de travail) * Ordinateur intermédiaire (Mini-ordinateur) * Ordinateur géant (Mainframe, Superordinateur). - Le logiciel (Software) : Programmes permettant le traitement de l information. On distingue deux types de logiciels (Systèmes d exploitation et logiciels d application) Architecture simplifiée d un ordinateur : a. Composants de base : L ordinateur est conçu pour traiter l information d une façon automatique. Tout traitement doit réaliser les 4 grandes fonctions suivantes : - Fonction d introduction de l information (l entrée de données) - Fonction de traitement de l information (la modification de l information) - Fonction de restitution de l information (sortie des résultats) - Fonction de mémorisation de l information (le stockage) Pour qu un ordinateur puisse effectuer automatiquement ces opérations, il devra posséder les organes nécessaires à la réalisation de ces fonctions : - Des périphériques d entrée. - Une unité de traitement (Unité centrale). - Des périphériques de sortie. - Des supports de stockage (mémoires). L architecture logique d un ordinateur est la suivante : haouaticpge@gmail.com 2

3 Périphériques d entrée (Saisie) Clavier, Souris, Microphone, Unité Centrale (Modification) Supports de stockage (Mémorisation) Périphériques de sortie (Restitution) Disque dur, CD-ROM, DVD-ROM, Clé USB, Moniteur, imprimante, Haut parleur, L unité centrale est composée de: Unité de Commande : interprète et commande l exécution de ce qui est en mémoire. Unité Arithmétique et Logique (UAL): Effectue le calcul arithmétique et logique. Mémoire centrale : Stocke momentanément les données à traiter. b. Mémoire centrale et représentation des données La mémoire centrale aussi appelée RAM «Random Access Memory» (mémoire à accès direct), est la mémoire informatique dans laquelle un ordinateur place les données lors de leur traitement. Cette mémoire est caractérisée par : sa rapidité d'accès : fourni rapidement les données au processeur, sa volatilité : toutes les données de cette mémoire sont perdues dès que l'ordinateur est arrêté. Remarque : On trouve un autre type de mémoire centrale non volatile appelé ROM «Read Only Memory» (mémoire à lecture seule) qui est nécessaire au démarrage de l ordinateur. La mémoire centrale est un ensemble de composants électroniques qui sont capables de mémoriser des tensions (0 ou 5V). haouaticpge@gmail.com 3

4 On peut assigner deux valeurs à ce composant : 0 lorsque la tension est de 0V 1 lorsque la tension est de 5V On appelle ce type de valeur un bit (Binary digit) Les données stockées dans la mémoire centrale sont représentées par des bits. Un ensemble de 8 bits est appelé Octet. Les bits ne peuvent être que des 0 ou 1. Donc un octet est la représentation binaire d un nombre (système de numération de base 2). c. Représentation des données dans la mémoire: Les informations traitées par les ordinateurs sont de différentes natures : nombres, texte, images, sons, vidéo, Ces informations vont être représentées en mémoire centrale, ce qui nécessite l utilisation d une forme de représentation compréhensible par cette dernière ; c est la forme binaire. Pour arriver à cette forme binaire, on doit utiliser la notion de codage d information. Le codage d information permet d établir une correspondance qui permet sans ambiguïté de passer d une représentation d une information brut (externe) à une autre représentation (interne : sous forme binaire) de la même information. Ce codage de l information s effectue principalement en trois étapes : L information sera exprimée par une suite de nombres (Codes) Chaque nombre est représenté sous forme binaire (suite de 0 et 1) Chaque élément binaire est représenté par une tension de 0 ou 5v dans le composant électronique de la mémoire. Codage des nombres entiers naturels: Les nombres entiers naturels sont codés en base 2 par une conversion du nombre de la base 10 à la base 2. Exemple : (115) 10 sera ( ) 2 représentation sur un octet. (2345) 10 sera ( ) 2 représentation sur 2 octets. Le codage des entiers naturels sur n bits permet la représentation des nombres de 0 à 2 n -1 - Un octet (8 bits) peut représenter tous les nombres entiers naturels compris entre 0 et 255 (de à ). - Deux octets (16 bits) peuvent représenter tous les nombres entiers naturels compris entre 0 et Codage des nombres entiers relatifs: Les nombres entiers relatifs sont codés en base 2 par au moins 3 façons : code binaire signé (par signe et valeur absolue) : Le bit le plus significatif (le plus à gauche) est utilisé pour représenter le signe du nombre. La valeur 0 en bit de signe pour le nombre positif. La valeur 1 en bit de signe pour le nombre négatif. Les autres bits codent la valeur absolue du nombre. Exemple : 75 sera sur un octet. -75 sera sur un octet. Avec n bits, on code tous les nombres entiers relatifs entre -(2 n-1-1) et (2 n-1-1) haouaticpge@gmail.com 4

5 - Deux octets (16 bits) peuvent représenter, en codage binaire signé, tous les nombres entiers relatifs compris entre et Remarque : Avec ce codage le nombre 0 aura deux représentations différentes, une pour +0 ( ) et une pour -0 ( ). La somme de deux nombres de signes différents nécessite le changement de l algorithme d addition. (3-7 = = = -10 au lieu de -4 ) code complément à 1 : Aussi appelé Complément Logique (CL) ou Complément Restreint (CR) : o les nombres positifs sont codés de la même façon que les entiers naturels. o un nombre négatif est codé en inversant chaque bit de la représentation de sa valeur absolue. o Le bit le plus significatif est utilisé pour représenter le signe du nombre. Exemple : 75 sera sur un octet. -75 sera sur un octet. Remarque : Avec ce codage le nombre 0 aura deux représentations différentes, une pour +0 ( ) et une pour -0 ( ). code complément à 2 Aussi appelé Complément Vrai (CV): o les nombres positifs sont codés de la même manière que les entiers naturels. o un nombre négatif est codé en ajoutant la valeur 1 à son complément à 1. o Le bit le plus significatif est utilisé pour représenter le signe du nombre. Exemples : 75 sera sur un octet. -75 sera sur un octet. -24 sera sur un octet. Remarque : On a un seul codage pour 0. ( ) pour +0 et -0. La somme de deux nombres de signes différents donne le bon résultat (3-7 = = = -4) Codage des nombres réels: Les nombres réels peuvent être représentés par deux formats de codage : Codage en virgule fixe : utilisé par les premiers ordinateurs. Dans ce codage la position de la virgule est fixée sur l espace mémoire réservé. Codage en virgule flottante : utilisé actuellement. Avec ce codage le nombre réel s écrit sous la forme : ± m x 2 e avec m est la mantisse (représentée en virgule fixe) et e l exposant entier signé. Le codage en virgule flottante revient à coder le signe, la mantisse et l exposant. Exemple : en base 10 7,13 = 71,3x10-1 m=71,3 e=-1 = 0,713x10 1 m=0,713 e=1 = Le même nombre réel peut être représenté en virgule flottante par différente valeurs de mantisse et exposant. Pour éviter des représentations différentes du même nombre, la mantisse est normalisée. Dans la convention la plus courante, un nombre binaire normalisé différent de zéro a la forme: ± 1,m x 2 eb haouaticpge@gmail.com 5

6 Le signe est codé sur 1 bit ayant le poids fort : le signe : bit 1 Le signe + : bit 0 Exposant biaisé (eb): placé avant la mantisse pour simplifier la comparaison Codé sur p bits et biaisé pour être positif (ajout de 2 p-1-1) Mantisse normalisé(m) : Normalisé : virgule est placé après le bit à 1 ayant le poids fort m est codée sur q bits Exemple : 11,01 sera 1,101 donc m =101 Sous cette forme, le bit le plus signifiant est toujours égal à 1, il n'est pas nécessaire de le coder: il est implicite. Exemple : signe exposant Mantisse 1 bit p bits q bits soit le nombre réel -5,9 à représenter en base 2 en virgule flottante normalisée sur 4 octets avec 1 bit de signe, 23 bits de mantisse et 8 bits d exposant. Partie entière : 5 en base 2 est 101 Partie décimale : 0.9 x 2 = x 2 = x 2 = x 2 = x 2 = x 2 = 1.6 On continue jusqu on aura la précision souhaitée. On remarque l apparence de la période (-5,9) 10 = ( ) 2 = x 2 2 eb= = (129) 10 = ( ) 2 m= signe= Remarque : Il est impossible de représenter la valeur 0.0 de façon normalisée. L IEEE 754 est un standard pour la représentation des nombres à virgule flottante en binaire. Dans ce standard on trouve : Format simple précision (32 bits) : Un nombre flottant simple précision est stocké dans un mot de 32 bits : 1 bit de signe, 8 bits pour l'exposant et 23 pour la mantisse. Le format double précision (64 bits) : Un nombre flottant double précision est stocké dans un mot de 64 bits : 1 bit de signe, 11 bits pour l'exposant et 52 pour la mantisse. Débordement (overflow) L intervalle de valeurs utilisable dans un mot de x bits est limité à cause de la limite de cet espace mémoire. Lorsqu on effectue des opérations de calcul sur des mots de x bits et on a un résultat de x+1 bits, le dernier bit de calcul sera perdu, et notre résultat est faux. On parle dans cette situation d un débordement (overflow) ou dépassement de mémoire. haouaticpge@gmail.com 6

7 Dans le cas d'une addition de deux nombres en codage binaire naturel, le débordement correspond à une retenue sortante à 1. Exemple : =? Pour une représentation sur 1 octet, on aura : La retenue sera perdue à cause du débordement. Annulation catastrophique (Catastrophic cancellation) Pour des nombres enregistrés dans la mémoire d'un ordinateur, on utilise généralement la représentation en virgule flottante. Or, cela signifie que les nombres ne peuvent être connus qu'avec une précision relative limitée. L'annulation catastrophique est la soustraction de deux nombres qui ne sont pas formellement égaux, mais le sont dans la limite de la précision utilisée. Codage des caractères Pour transmettre ou stocker des caractères en mémoires, on doit les représenter sous forme de nombre qu on peut convertir en binaire. Cette opération s appelle codage. Le Codage revient à créer une Table de correspondance entre les caractères et des nombres. Le code ASCII le code ASCII (American Standard Code for Information Interchange) est adopté comme standard dans les années 60. Il représentait les caractères sur 7 bits (c'est-à-dire 128 caractères possibles, de 0 à 127 : 26 2 lettres + 10 chiffres + des marques de ponctuation + des caractères non affichables comme les sauts de lignes, mais pas d'accents). Le huitième bit est un bit de parité. Les code 48 à 57 représentent les chiffres dans l ordre (0,1,,9) Les code 65 à 90 représentent les alphabets majuscules (A,,Z) Les code 97 à 122 représentent les alphabets minuscule (a, z) Le code ASCII Etendu Le code ASCII a été mis au point pour la langue anglaise, il ne contient donc pas de caractères accentués, ni de caractères spécifiques à une langue. Pour coder ce type de caractère il faut recourir à un autre code. Le code ASCII a donc été étendu à 8 bits (un octet) pour pouvoir coder plus de caractères (on parle d'ailleurs de code ASCII étendu...). Ce code attribue les valeurs 0 à 255. Le code ASCII étendu n'est pas unique et dépend fortement de la plateforme utilisée. Unicode Le code Unicode est un système de codage des caractères sur 16 bits mis au point en Le système Unicode permet de représenter n'importe quel caractère par un code sur 16 bits, indépendamment de tout système d'exploitation. Il regroupe ainsi la quasi-totalité des alphabets existants (arabe, arménien, cyrillique, grec, hébreu, latin,...) et est compatible avec le code ASCII. Généralement en Unicode, un caractère prend 2 octets. Autrement dit, le moindre texte prend deux fois plus de place qu'en ASCII. C'est du gaspillage. De plus, si on prend un texte en français, la grande majorité des caractères utilisent seulement le code ASCII. Seuls quelques rares caractères nécessitent l'unicode. Pour opter à ce problème, on utilise des encodage comme UTF-8, UTF-16, UTF ( "Unicode Transformation Format"). haouaticpge@gmail.com 7

8 UTF-8 : les caractères ASCII de base sont encodés sur un octet (8 bits). Les autres sur plusieurs. Les avantages de ce format sont notamment qu'il est compact (s'il y a beaucoup de caractères ASCII de base) et qu'il est lisible facilement avec n'importe quel éditeur de texte. UTF-16 : les caractères sont codés sur 2 octets (16 bits). Il est donc moins compact que l'utf-8 pour du texte roman. Mais un programme informatique gèrera plus rapidement cet encodage justement parce que chaque caractère fait exactement 2 octets (il est par exemple facile de calculer la longueur d'une chaine de caractères à partir de la place qu'elle occupe en mémoire) d. Composants physiques d un ordinateur Concrètement un ordinateur est composé : D une carte mère : Carte électronique qui permet aux différents composants de communiquer via différents bus de communication. D un processeur : organe qui effectue les traitements suivant un algorithme défini par le programmeur. Il est constitué essentiellement de trois parties: o L'unité arithmétique et logique (U. A. L.) est capable d'effectuer les opérations arithmétiques et logiques élémentaires sur des valeurs binaires. o Les registres permettent de mémoriser des résultats intermédiaires ou des états particuliers du processeur. o Le décodeur-séquenceur contrôle l'exécution des différentes phases des instructions. Le processeur est caractérisé par : o L architecture : diffère selon le constructeur et la famille de processeurs. Intel Core 2, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Amd 64, o Sa vitesse de fonctionnement : ou fréquence d horloge mesurée en GHz (nombres d instructions par milliard de seconde). L architecture interne simplifiée d un processeur est : haouaticpge@gmail.com 8

9 Pour l exécution des instructions, le processeur utilise en plus de UC et UAL, des registres (mémoires internes) comme ACC, RTUAL, RI, RTA, IP(Instruction Pointer),... L information circule dans le processeur à travers deux bus internes (Bus de données et bus d adresses). Le processeur est relié à l extérieur par les bus de données, les bus d adresses, le signal d horloge et les signaux de commandes R/W (Lecture/Ecriture). Un bus est un ensemble de n fils conducteurs, utilisés pour transporter n signaux binaires. Le bus d adresse est un bus unidirectionnel : seul le processeur envoie des adresses. Il est composé de a fils; on utilise donc des adresses de a bits. La mémoire peut posséder au maximum 2 a emplacements (adresses 0 à 2 a - 1). Le bus de données est un bus bidirectionnel : Permet le transfert de données entre le processeur et la mémoire dans les deux sens (Lecture/Ecriture). Les opérations de lecture et d écriture portent en général sur plusieurs octets contigus en mémoire constituant un mot mémoire. La taille d un mot mémoire dépend du type de processeur. Actuellement cette taille est de 32 ou 64 bits. Les étapes d exécution d une instruction sont : o Lecture et décodage de l instruction o Lecture de l opérande o Exécution de l instruction o Passage à l instruction suivante D une mémoire vive : Ce sont des barrettes qui s enfichent sur la carte mère. La taille proposée sur les ordinateurs est en constante augmentation, actuellement de 2Go à 8Go De cartes d extension : Permet d ajouter des fonctionnalités (souvent de communication) comme par exemple les cartes graphiques, son, vidéo, réseau, etc De mémoires de masse : Disque dur, Clé USB, Bande magnétique, CD-ROM, DVD-ROM, etc. De ports de communication : conçu pour brancher un certain type de périphérique, soit directement, soit au moyen d'un câble. Un port de communication peut être : o Port Interne : destiné soit à connecter un périphérique interne au boîtier de l'ordinateur (disque, barrette de mémoire, processeur, ) soit à insérer une carte d'extension enfichable sur un bus interne (connecteur d'extension). o Port Externe : permettant de communiquer avec différents périphériques (port série, port parallèle, port usb, ). De périphériques d entrée/sortie : Ce sont les composants électroniques qui permettent à l ordinateur de communiquer avec l extérieur (utilisateur ou autre ordinateur) o Périphériques d entrée : Clavier, Souris, Scanner, Ecran tactile, carte réseau, mémoires de masse, etc. o Périphériques de sortie : Ecran (tactile ou non), Imprimante, carte réseau, mémoires de masse, etc Système d exploitation d un ordinateur: Le système d exploitation (Operating System O.S.) d un ordinateur est un ensemble de programmes qui remplissent deux grandes fonctions : gérer les ressources de l installation matérielle en assurant leurs partages entre un ensemble plus ou moins grand d utilisateurs haouaticpge@gmail.com 9

10 assurer un ensemble de services en présentant aux utilisateurs une interface mieux adaptée à leurs besoins que celle de la machine physique. Au système d'exploitation est associée une interface utilisateur (texte ou graphique) capable d'interpréter une série de commandes de base. Le système d'exploitation constitue une machine virtuelle qui, pour les applications, substitue des composants logiciels aux composants matériels. Il est la plateforme pour laquelle sont construites les applications. a. Fonctions principales d un système d exploitation : Gestion du processus : Un processus est l entité créée par le système d exploitation pour l exécution d un programme. Gestion de la mémoire centrale : L unité centrale charge les instructions à exécuter dans les registres du processeur à partir d adresses en mémoire centrale. De même après exécution, les résultats sont placés en mémoire centrale. Il s agit ici de gérer l allocation de cette mémoire aux programmes (attribution, libération de mémoire). En cas d'insuffisance de mémoire physique, le système d'exploitation peut créer une zone mémoire sur le disque dur, appelée «mémoire virtuelle» qui permet de faire fonctionner des applications nécessitant plus de mémoire qu'il n'y a de mémoire vive disponible sur le système. En contrepartie cette mémoire est beaucoup plus lente. Gestion des entrées/sorties : le système d'exploitation permet d'unifier et de contrôler l'accès des programmes aux ressources matérielles par l'intermédiaire des pilotes (appelés également gestionnaires de périphériques ou gestionnaires d'entrée/sortie). Gestion de l'exécution des applications : le système d'exploitation est chargé de la bonne exécution des applications en leur affectant les ressources nécessaires à leur bon fonctionnement. Gestion des droits : le système d'exploitation est chargé de la sécurité liée à l'exécution des programmes en garantissant que les ressources ne sont utilisées que par les programmes et les utilisateurs possédant les droits adéquats. Gestion des fichiers : le système d'exploitation gère la lecture et l'écriture dans le système de fichiers et les droits d'accès aux fichiers par les utilisateurs et les applications. b. Commandes usuelles d un système d exploitation Parmi les fonctionnalités d un système d exploitation la gestion des fichiers. Pour cela, chaque système présente ses propres commandes. Parmi les commandes usuelles on trouve : Sous windows en ligne de commande : dir(afficher le contenu d un dossier) md(créer un dossier) rd(supprimer un dossier) cd(changer de dossier) copy(copie un ou plusieurs fichiers sur un autre emplacement) del(supprime un ou plusieurs fichiers) Sous linux en ligne de commande : ls(afficher le contenu d un dossier) mkdir(créer un dossier) rmdir(supprimer un dossier) cd(changer de dossier) cp (copie un ou plusieurs fichiers sur un autre emplacement) rm(supprime un ou plusieurs fichiers) haouaticpge@gmail.com 10