1 Présentation de l'ordinateur et de ses moyens de communication Un ordinateur est une machine capable de traiter des informations de façon flexible (les programmes qui traitent les informations peuvent être modifiées indéfiniment contrairement à un boitier électronique dont les possibilités de modifications sont limitées). Les informations peuvent être transmises grâce à différents moyens de communications appelés les ports. Les performances des ports de communication sont principalement caractérisés par le débit d'information qu'ils supportent (éventuellement par la distance admissible). Unités : - bit/s : quantité de chiffres binaires 0 ou 1 transmissibles par seconde - o/s : quantité d'octets, c'est-à-dire de nombres binaires à 8 chiffres, transmissibles par seconde (1octet = 8bits). Les principaux ports de communication sont les suivants : - port série utilisé pour certains périphériques de laboratoire (facile à programmer) remplacé généralement par le port USB (Universal Serial Bus) plus rapide 600Mo/s (pour l'usb 3). Les informations binaires sont transmises les unes après les autres sur le fil de données (par série de données). - port parallèle. Ce port en voie de disparition permettait de transmettre les données en parallèle sur plusieurs fils. Il était utilisé principalement pour la communication unidirectionnelle vers les imprimantes. - port vidéo numérique : HDMI (High Definition Multimedia Interface) presque 1Go/s, analogique : VGA (Video Graphic Array) associé à un port audio (prise jack). Le port DVI (Digital Visual Interface) a été le premier port vidéo numérique en définition standard, - port réseau RJ45 (communication avec d'autres ordinateurs en réseaux jusqu'à 1Go/s), - port sans contact : Bluetooth ou Wifi. Les données sont transmises sans contact par ondes électromagnétiques (le Bluetooth 0,2 Mo/s plutôt pour les périphériques et le Wifi plutôt pour le réseau 200 Mo/s). Ces moyens de communications tendent à supplanter les autres ports de communication. Série (9 broches males) USB Parallèles (25 broches femelles) HDMI VGA (15 broches) DVI Réseau RJ45 Figure 1 : Photos des principaux ports de communication Nao possède 2 ports réseaux (RJ45 et Wifi), un port série USB ainsi que des éléments spécifiques de communication intégrés (boutons de commandes, leds de communication, microphone, haut-parleur ). Lycée Jules Ferry Cannes Page 1 sur 7 TSI1
2 Structure interne d'un ordinateur et performances La structure interne élémentaire d'un ordinateur est constitué d'une unité centrale qui réalise les opérations, d'une mémoire principale qui stocke les données en cours de traitement, du disque dur qui stocke les données traitées ou à traiter et un bus où circulent les informations. Unité centrale Unité de commande UAL P C Registres R I... Mémoire principale Disque dur... Figure 2 : Structure élémentaire d'un ordinateur Bus 2.1 Unité centrale Un processeur ou unité centrale (en anglais CPU : Central Processing Unit) est constitué : - d'un registre de commande, - de registres internes dans lesquels stocker les données, - d'une unité arithmétique et logique UAL qui effectue les opérations. Figure 3 : Exemple de cycle pour réaliser A+B Pour réaliser une opération arithmétique, il faut donc réaliser les opérations suivantes : - identifier l'opération arithmétique à effectuer dans le registre de commande (ici l'addition), - lire les données A et B des registres internes et les stocker dans les registres d'entrées de l'ual, - réaliser l'opération arithmétique et stocker le résultat dans le registre de sortie de l'ual, - copier le résultat de l'opération dans le registre interne. Lycée Jules Ferry Cannes Page 2 sur 7 TSI1
Un processeur sera d'autant plus performant si : - les nombres traités sont grands (exemple : plus grand entier 2 pour un processeur à 64 bits), - la fréquence des opérations de stockage ou de calcul est grande (exemple : à 1GHz, le processeur peut réaliser 10 opérations par seconde). La limite est imposée par l'échauffement du composant, suite aux commutations électriques, souvent réduit grâce à un ventilateur, - la taille du registre est grande (possibilité d'accès très rapide aux données proches du processeur ou opérations disponibles plus nombreuses). Compromis entre la distance, la rapidité et la longueur des adresses paramétrables. Nao possède un processeur X86 AMD GEODE 500MHz CPU : - dimension maximale des mots binaires 32bits (x86) - fréquence maximale des opérations 500MHz (fréquence faible mais processeur à faible consommation électrique). 2.2 Chipset Le Chipset a pour fonction de contrôler la transmission des données. Ses performances (taille des mots binaires et fréquence d'horloge) doivent être similaires à celles du microprocesseur pour ne pas ralentir l'ordinateur. Comme le microprocesseur, il est souvent équipé d'un dispositif de refroidissement (radiateur ) 2.3 Bus A l'intérieur de l'ordinateur les informations circulent entre composants par des fils de connexion appelés bus. L'aiguillage des données est assuré par le Chipset. Les 2 principaux types de bus sont le bus série et le bus parallèle. Bus série Les données circulent sur un seul fil les unes à la suite des autres. D'autres fils sont utiles pour ce bus (horloge, masse pour la référence de tension nulle). Ce type de bus est préféré pour le transfert de données éloignées de l'unité centrale (disque dur, périphérique externe ) Bus parallèle Les informations circulent en parallèle sur plusieurs fils. Les fils d'horloge et de masse sont également nécessaires. Les interférences qui apparaissent à haute fréquence entre les lignes limitent l'usage de ce type de bus au transfert rapide de données sur de courte distance autour de l'unité centrale (carte mère, mémoire principale ). Les performances des bus sont indiquées par le débit de données qu'ils permettent. Parmi les bus les plus rapides, les bus série SataIII acceptent un débit de 750Mo/s (supérieur parfois largement au débit de la plupart des périphériques). 2.4 Périphériques de stockage Les performances des périphériques de stockage sont la taille de la mémoire en o (octets) et par le temps d'accès aux données caractérisé par un temps d'accès en s (secondes) ou/et un débit maximum en o/s. 2.4.1 Mémoire vive RAM (Random Access Memory) On appelle mémoire vive, un dispositif de stockage de données qui ne conserve pas ses données en absence d'alimentation électrique. La mémoire vive est utilisée comme mémoire principale dans les Lycée Jules Ferry Cannes Page 3 sur 7 TSI1
ordinateurs car son temps d'accès est très court (quelques nanosecondes compatible avec les fréquences de l'ordre du GHz des processeurs). La taille de la mémoire principale était limitée à 4Go pour les processeurs en 32 bits. Elle est limitée à presque 2 millions de To!! en 64 bits (quelques Go en pratique). Le débit maximum est d'environ 1Go/s. Figure 4 : Barrettes de mémoire principale RAM amovibles Nao possède 256Mo de SDRAM (mémoire synchronisé avec l'horloge du bus). 2.4.2 Mémoire morte ROM Historiquement les ROM étaient effectivement mortes dans le sens où elles ne pouvaient être que lues (CD-ROM, DVD-ROM, BluRay ). On appelle ROM toute mémoire qui conservent son information en absence d'électricité. On utilise souvent des EEPROM (Electrically Erasable Program ROM). La mémoire ROM est utilisée pour stocker les séquences de démarrage de l'ordinateur (BIOS,CMOS ) ou pour archiver les informations (disque dur, clef USB ). Figure 5 : EEPROM utilisée pour le BIOS soudée sur la carte mère de l'ordinateur Le temps d'accès des ROM est de l'ordre de la dizaine de nanoseconde au mieux et la taille stockage dépend de l'application (du Go à plusieurs centaines de Go). Lycée Jules Ferry Cannes Page 4 sur 7 TSI1
2.4.3 Disques durs Les disques durs sont des solutions pour le stockage de grande quantité de données (archivage) au meilleur rapport coût/disponibilité. Les performances dépendent des technologies utilisées. A l'heure actuelle, deux technologies sont en compétition (parfois associées dans les disques durs hybrides) : - les disques durs mécaniques avec un disque rotatif et une tête de lecture mobile - les disques durs SSD (Solid State Drive) construit par association d'eeprom. Figure 6 : Disque dur mécanique Figure 7 : Disque dur SSD Lycée Jules Ferry Cannes Page 5 sur 7 TSI1
Comparaison des performances entre les 2 technologies : - les disques durs mécaniques par construction sont plus bruyants, plus consommateurs d'énergie et plus lents (60 Mo/s), - à l'heure actuelle les disques SSD coûtent 10 fois plus cher à l'achat pour la même capacité et sont moins fiables dans la durée (limite du nombre de lecture-écriture de certaines technologies). Pour le stockage de plusieurs To, on préfère donc encore les disques durs mécaniques car cela coûte moins cher. Pour le stockage de contenus fréquemment utilisés, on préfère un disque SSD car il est 10 fois plus rapide (500 Mo/s). 2.4.4 Carte externe SD Les cartes externes sont des solutions de stockage pour des contenus de quelques Go et les débits sont comparables aux disques SSD. Nao possède une mémoire flash de 2Go. 2.4.5 Cloud Le Cloud (nuage en français) est une solution de stockage des données par le réseau. Le serveur du Cloud, qui stocke les fichiers, utilise des disques durs. Le Cloud peut stocker plusieurs To mais le temps d'accès est celui du réseau (cela peut-être plus rapide qu'une connexion USB). 2.5 Autres périphériques La plupart des périphériques de communication entrante avec l'utilisateur utilise les ports USB ou le Bluetooth (sauf lorsqu'ils sont intégrés à l'ordinateur : tablette tactile ). Les périphériques de sortie deviennent progressivement numérique (port HDMI) mais sont encore souvent analogiques (port VGA pour l'image et prise jack pour le son). Des cartes intégrées (carte graphique notamment) permettent de traiter une partie des tâches concernant l'affichage ce qui permet de libérer le processeur principal de ce travail et donc de gagner en rapidité pour l'ordinateur. Certains constructeurs utilisent des prises spécifiques pour les périphériques mais la normalisation conduit à la généralisation des ports USB ou sans contact. Nao possèdent un grand nombre de capteurs intégrés (touches tactiles, caméra, led, microphone ). 3 Architecture logicielle 3.1 Système d'exploitation Le système d'exploitation est un ensemble de programmes et de fichiers qui permettent de gérer le fonctionnement correct de l'ordinateur. Le système d'exploitation s'occupe de : - distribuer le temps de calculs et la mémoire vive pour les différents programmes qui s'exécutent en parallèle, - piloter les divers composants matériels : disque dur, carte graphique, imprimante - organiser les données en fichiers et répertoires dans les dispositifs de stockage, - gérer les droits des utilisateurs, - gérer l'interface graphique. Lycée Jules Ferry Cannes Page 6 sur 7 TSI1
Il existe plusieurs systèmes d'exploitation : - Windows payant mais installé par défaut sur la plupart des ordinateurs qui sont garantis pour ce système seulement. Des failles de sécurité impose l'usage d'un antivirus. Le système est parfois complexe à configurer. - Linux : système gratuit. Système fiable mais dont le paramétrage reste souvent complexe. - Mac OS vendu avec les ordinateurs Apple. Système fiable (basé sur Linux) que l'interface graphique très soignée rend facile à utiliser. - Android et ios : ces systèmes d'exploitation dérivent de Linux et sont installés sur les appareils mobiles (smartphone, tablette ) 3.2 Les fichiers L'organisation des fichiers est arborescente dans des répertoires contenant eux-même d'éventuels répertoires et fichiers. Cette organisation est dissociée du stockage physique sur le disque dur par exemple où les fichiers sont placés de façon plus linéaire. Les fichiers sont de 2 types : fichiers systèmes propres au système d'exploitation que les utilisateurs ne sont pas sensés modifier et les fichiers de données appartenant aux utilisateurs. Chaque fichier possède des droits de lecture, d'écriture et d'exécution. 3.3 Les logiciels Le système d'exploitation permet à l'ordinateur de fonctionner mais des programmes supplémentaires sont ajouté afin d'effectuer les tâches souhaitées par l'utilisateur (lecture d'image, surfer sur internet ). L'installation du logiciel conduit souvent à modifier le système d'exploitation (sauf lorsque le logiciel est portable). Les logiciels sont: - soit propriétaires livrés compilés donc sans accès au code, soit libres (on peut alors modifier le code qui est connu). - mono-plateformes (compilé pour ne fonctionner que sur un seul système d'exploitation) ou multiplateformes. - gratuit (freeware), prêté (shareware) avec une invitation à payer si le logiciel convient (souvent limité dans sa version prêté) ou payant. Les formats d'enregistrement sont : - standard : des conventions définissent la structure du fichier :.html(hyper-texte markup language).pdf (portable document format), - spécifique (ouvert ou non) qui ne respecte aucun standard :.xcf (format d'image du logiciel GIMP), - propriétaire : format spécifique non ouvert dont l'éditeur cache la structure :.doc (fichier Word) Références : - cours Upsti de François Médevielle - site internet de Marc Dérumaux http://marc.derumaux.free.fr - Architecture de l'ordinateur, Andrew Tanenbaum - Techniques de l'ingénieur - Wikipédia Lycée Jules Ferry Cannes Page 7 sur 7 TSI1