Introduction aux systèmes informatiques Système Un système est une collection organisée d'objets qui interagissent pour former un tout Objets = composants du système Des interconnexions (liens) entre les objets sont nécessaires pour les interactions Structure = (composants, interconnexions) Comment le système est fait Comportement = (entrées, sorties) Ce que le système fait (comment il répond aux entrées) Page 2
composant entrées sorties interconnexion Page 3 Le comportement d'un système peut être décrit formellement par des équations du type: Z = ƒ (X) X ƒ Z Page 4
Analyse: Déterminer le comportement d'un système à partir d une description de sa structure Synthèse: Déterminer la structure qui produit un comportement donné. Plusieurs structures sont possibles pour un même comportement Page 5 Informatique Petit Robert: Science du traitement de l'information; ensemble de techniques de la collecte, du tri, de la mise en mémoire, du stockage, de la transmission et de l'utilisation des informations traitées automatiquement à l'aide de programmes mis en oeuvre sur ordinateurs. Page 6
Système informatique Un système informatique est un ensemble de composants de type logiciel (software) et matériel (hardware), mis ensemble pour collaborer dans l'exécution d'une application Le principal composant matériel est l ordinateur Un informaticien doit comprendre le fonctionnement de tous les composants d un système, sans se limiter au logiciel. En effet, les caractéristiques du matériel agissent sur la justesse et la performance des programmes Une bonne connaissance du matériel permet d éviter des erreurs et d'augmenter la performance, en optimisant les programmes Page 7 Un ordinateur est une machine électronique composée de plusieurs parties interconnectées par des fils A tout moment, tout fil dans l'ordinateur se trouve à un voltage haut ou bas. La valeur réelle n'intéresse pas: c est seulement un 1 ou un 0 On peut voir 4 grandes parties dans un ordinateur: dispositifs d entrée processeur mémoire dispositifs de sortie bus Page 8
Le bus est un ensemble de fils électriques interconnectant les différents composants Les dispositifs d entrée/sortie transmettent l'information entre l'extérieur et la mémoire. Toute information dans l'ordinateur est codée comme une séquence de 0 et 1: c'est les bits. Un groupe de 8 bits est un byte. Et il est courant d'utiliser les préfixes suivants pour indiquer une certaine quantité d'information: kilo = 2 10 = 1'024 mega = 2 20 = 1'048'576 giga = 2 30 = 1'073'741'824 Le processeur dirige le traitement de l'information et réalise ce traitement. Diriger, c'est décider quelle tâche exécuter et dans quel ordre, contrôler toutes les autres parties Page 9 CPU registres PC ALU interface du bus bus système I/O bridge bus mémoire mémoire principale contrôleur USB adaptateur graphique bus I/O contrôleur de disque slots d'expansion pour d'autres dispositifs souris clavier écran disque Page 10
Tout ce qui peut être calculé, peut l'être par un ordinateur, pour autant qu'il ait assez de temps et de mémoire: l'ordinateur est un dispositif de calcul universel L'universalité de l'ordinateur est possible grâce à la programmation: l'utilisateur doit indiquer par un programme les pas à suivre pour exécuter une tâche particulière Page 11 Les niveaux d'abstraction L'abstraction se réfère à la distinction entre les propriétés externes d'un système et les détails de sa composition interne L'abstraction d'un système comprend: la suppression de certains détails pour montrer seulement l'essence du sujet (pour chaque niveau d'abstraction il faut pouvoir différencier ce qui est essentiel des détails superflus) une structure une division de responsabilité à travers une chaîne de commande une division en sous-systèmes Page 12
L'abstraction permet une conception hiérarchique des systèmes L'abstraction permet de gérer des systèmes très complexes en connaissant seulement les choses qui nous intéressent à un moment donné Nous pouvons donc voir un système à plusieurs niveaux de détail. A chaque niveau, le système est vu en termes de composants dont nous ignorons la composition interne Les différents niveaux d'abstraction peuvent se représenter sous trois formes: diagrammes de niveau diagrammes d'imbrication diagrammes ou arbres hiérarchiques Page 13 plus haut niveau d'abstraction plus bas niveau d'abstraction Page 14
Niveaux d'abstraction en informatique La solution d'un problème en informatique va du niveau le plus abstrait vers le niveau le plus détaillé Un grand système informatique est organisé de façon hiérarchique: une partie prend ses ordres de la partie hiérarchique supérieure et, à son tour, peut transmettre ses ordres à des parties inférieures hiérarchiquement Il n'est pas nécessaire de connaître complètement chaque niveau d'un système informatique pour l'utiliser correctement Page 15 Les niveaux d'abstraction d'un système informatique sont: application algorithme langage de haut niveau système d'exploitation architecture de la machine microarchitecture circuits logiques dispositifs électroniques Page 16
programmes d'application système d'exploitation logiciel processeur mémoire principale dispositifs I/O matériel processus mémoire virtuelle fichiers processeur mémoire principale dispositifs I/O Page 17 Un algorithme est un ensemble fini d'instructions qui, exécutées dans la bonne séquence, résolvent un problème dans un temps fini. Une recette de cuisine est un exemple d'algorithme Un programme est un algorithme écrit pour exécution dans un ordinateur A chaque niveau on peut utiliser un langage différent: langage naturel langage dépendant de l'application langage de programmation indépendant de la machine langage assembleur appels du système d exploitation langage machine langage de transfert de registres algèbre booléenne Page 18
Un programme pour une certaine tâche peut être écrit en utilisant n'importe lequel de ces langages Une fois que l'algorithme pour exécuter une tâche est connu, il peut être exécuté sans comprendre les principes sur lesquels il se base: l'intelligence pour résoudre un problème se trouve dans l'algorithme Page 19 Réalité versus Abstraction L'abstraction est utile et nécessaire, mais il ne faut pas oublier la réalité Les abstractions possèdent toujours des limites qu'il faut connaître Avantages pour un programmeur: détection et élimination des erreurs plus efficace optimisation rationnelle des programmes préparation pour d'autres cours (compilation, systèmes d'exploitation, réseaux, systèmes embarqués) Page 20
Exemples Les int ne sont pas des entiers et les float ne sont pas des réels Est-ce que x 2 0 est toujours vrai? pour les float, oui pour les int, pas toujours: 40000 * 40000 1600000000 50000 * 50000?? Est-ce que (x+y)+z = x+(y+z) est toujours vrai? pour les int, oui pour les float, pas toujours: (1e20 + -1e20) + 3.14 3.14 1e20 + (-1e20 + 3.14)?? Page 21 La probabilité d'écrire des programmes en assembleur (langage machine) est très faible, étant donné la qualité des compilateurs Toutefois, la connaissance du langage machine est clé pour: la compréhension du comportement des programmes en présence d'erreurs la compréhension des sources d'inefficacité des programmes, pour mieux les optimiser: identification des goulets d'étranglement mesure de la performance la façon d'écrire le code peut multiplier la performance par 10 L'implémentation des logiciels système (compilateurs, systèmes d'exploitation, systèmes embarqués) Page 22
La mémoire d'un système est limitée et doit être allouée et gérée convenablement La performance de la mémoire d'un système n'est pas uniforme: les effets des mémoires cache et virtuelle peuvent avoir une grande influence sur la performance des programmes l'adaptation des programmes aux caractéristiques de la mémoire peut amener des améliorations substantielles de la vitesse du système Page 23