Première approche Définition Définition de l informatique donnée par l Académie Française en 1966 : L informatique est la science du traitement rationnel, notamment par machines automatiques, de l information considérée comme le support des connaissances humaines et des communications dans les domaines techniques, économiques et sociaux. Cette définition laisse une large place à l interprétation personnelle. Science : L informatique obéit à des règles et des lois précises et les traitements qu elle réalise se font de manière rationnelle. Machines automatiques : Ce sont les ordinateurs dont nous allons plus précisément étudier la composition technologique. L information : C est la matière que manipulent et traitent les ordinateurs. Elle doit être «compréhensible» par l ordinateur tout comme l homme comprend une langue et ses concepts. Quelques repères Les ordinateurs les plus répandus actuellement sont basés sur une architecture dite de VON NEUMANN. Un programme préalablement enregistré est déroulé séquentiellement. Les opérations de base sont réalisées les unes à la suite des autres. NB : D autres architectures existent, telles les machines parallèles.
Quelques grandes dates permettent de baliser le (rapide) développement de l informatique à partir du début de l ère de l électronique. NB : Avant l apparition de l électronique nombres de machines à calculer ont été mises au point (mécaniques et électromécaniques...) ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) John ECKERT et John MAUCHLY de l Université de Pennsylvanie. Première machine entièrement électronique : 18000 tubes, 15000 relais, 6000 commutateurs. 30 tonnes, occupe un étage entier de bâtiment et consomme 150 000W. multiplication de deux nombres de 10 chiffres en 3 ms. mille fois plus rapide que les machines électromécaniques. NB : l ENIAC n est pas rigoureusement une machine dit de VON NEUMANN dans le sens où les programmes n étaient pas stockés dans une mémoire mais câblés. UNIVAC (UNIVersal Automatic Computer) Premier ordinateur commercialisé (15 exemplaires) Programme enregistré et données stockées sur bande magnétique.
Principe de fonctionnement d un ordinateur Pour saisir rapidement comment fonctionne un ordinateur, établissons un parallèle avec la façon dont travaille l homme : exemple d un employé de bureau. Pour travailler notre employé qui est au centre des traitements et que l on peut considérer comme l unité centrale de traitement s installe à son bureau où on lui remet dans une pochette le travail à effectuer (informations en entrée) tandis que dans une autre pochette il devra mettre le travail réalisé (informations en sortie). Pour pouvoir exécuter son travail notre employé peut avoir besoin de réaliser des calculs. Il dispose pour ce faire d une calculatrice : son unité de calcul. Pour éviter les oublis, l employé va noter les instructions qu il a reçues sur un brouillon qui constituent son programme de travail. mémorisation des instructions et des données à traiter. Cette mémorisation peut-être mise à jour et on peut dès lors considérer que l on se trouve en présence d une mémoire qui «vit», où l information «naît» et «meurt». on parle alors de mémoire vive. De plus, il est possible que, pour réaliser la tâche demandée, l employé ait besoin d infos qui soient toujours les mêmes (formules de calcul, par exemple) et qu il mémorise une fois pour toute. il s agit d une mémoire qui ne vit pas. On parle alors de mémoire morte.
Certaines informations (telles que catalogue de prix ou adresses des fournisseurs) sont trop volumineuses pour être mémorisées et l employé aura alors à sa disposition des classeurs ou des bacs à fiches contenant des fichiers fournisseurs ou tarifs qui constituent en fait une mémorisation externe ou auxiliaire de certaines données. Dans un ordinateur nous retrouvons tous ces constituants. Les différents types d ordinateur Suivant l utilisation et le besoin de puissance de calcul nécessaire, différents types d ordinateur sont disponibles sur le marché. Micro-ordinateur Un micro-ordinateur est un assemblage de différents composants dont un microprocesseur. Ainsi un micro-ordinateur correspond à : microprocesseur mémoires entrées/sorties périphériques
C est le type d ordinateur actuellement le plus répandu. Deux grandes familles : Apple : imac, G4, processeurs Motorola, système d exploitation Mac OS. PC (personal computer) : processeurs Intel ou AMD, système d exploitation Windows 98, Windows Millenium, Windows 2000, Linux. Les stations de travail De nos jours la barrière est faible entre micro-ordinateurs et stations de travail car au vu des performances actuelles des micro-ordinateurs pour un coût de plus en plus faible, ce type de machine est très souvent utilisé comme station de travail. Pour des applications scientifiques, par exemple, il peut être intéressant d utiliser des machines à la pointe de la technologie, très performantes en temps de calcul, capacité mémoire, etc... Toutes ces machines ont des systèmes d exploitation très stables et sécurisés : Windows NT, Windows 2000, Unix (Solaris, Linux...) On trouve aussi beaucoup de stations de travail multi-processeurs (souvent 2 processeurs). Cela permet d augmenter la vitesse de calcul de ce type de machine, mais aussi leurs réactivités lorsque la charge est importante.
Les constructeurs fournissant ce type de machine sont : Intel (processeur de type Xeon, Itanium, P4) : Win NT, Win2k, Solaris, Linux. Sun Microsystem (processeur UltraSparc) : Solaris, Linux. IBM (processeur RS6000) : AIX (Unix d IBM). HP (processeur HP/PA) : HP Unix. DEC(Compaq) (processeur Alpha) : Digital Unix, True 64, Linux. Silicon Graphics (processeur R10000) : Irix Serveurs Les serveurs sont des machines destinées à l accomplissement de taches résultant de requêtes de machines clientes qui lui sont associées à partir d un réseau. Ce sont le plus souvent des machines équivalentes à des stations de travail sans système graphique avec des unités de stockage et de sauvegarde spécifiques. Il existe différents type de services que ce type de machine peut réaliser. Selon la quantité de données qu une machine aura a traiter elle pourra se charger d un ou de plusieurs services en même temps. Services : fichiers, messagerie, base de données, web...
Les superordinateurs Ce sont des machines très puissantes mais très coûteuses et nécessitant souvant des installations spéciales. Leur architecture est souvent complètement différente de l architecture VON NEUMANN. Architecture scalaire ou superscalaire. Architecture parallèle. Représentation de l information Les microprocesseurs sont construits à l aide de transistors qui ne fonctionnent que selon une logique à 2 états : le courant passe ou ne passe pas. Transistor bloqué état logique 0 Transistor saturé état logique 1
Les deux états logiques, conventionnellement notés 0 et 1 déterminent une logique dite binaire. Toute information à traiter devra être représenté sous forme «compréhensible» par la machine donc sous forme binaire. Le passage d un langage compréhensible par l homme à un langage «compréhensible» par la machine correspond au code. La numération binaire (binaire pur) La base de numération est de 2. Conversions Considérons, dans un premier temps, les nombres entiers positifs. Il est possible de passer d un nombre en base 10 à un nombre en base 2 par une série de divisions successives. Exemple : Soit 135 à convertir en base 2.
135/2 = 67 reste 1 67/2 = 33 reste 1 33/2 = 16 reste 1 16/2 = 8 reste 0 8/2 = 4 reste 0 4/2 = 2 reste 0 2/2 = 1 reste 0 1/2 = 0 reste 1 Ainsi 135 en base 2 équivaut à 10000111 en binaire pur. Chaque élément binaire est appelé bit (abréviation de binary digit). Une suite de 8 bits porte le nom d octet. Inversement, il est aisé de passer d un nombre en base 2 à un nombre en base 10 par une série de multiplications successives. Exemple : reprenons 10000111 à convertir en décimal. 1 0 0 0 0 1 1 1 ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ½ ¾ ¼ 128 + 0+ 0+ 0+ 0+ 4+ 2+ 1 = 135
On multiplie chaque élément du nombre binaire par le chiffre 2 élevé à une puissance croissant de 1 comptée à partir de zéro en partant de la droite, puis on effectue la somme des résultats obtenus. On voit clairement que : ½ bit donne ¾ combinaisons, ¾ bits donnent combinaisons,... Ò bits donnent ¾ Ò combinaisons. Ainsi un octet fournit ¾ ¾ combinaisons codage des entiers positifs de 0 à 255. Cas des nombres négatifs Jusqu à maintenant nous n avons considéré que des nombres positifs. Qu en est-il des nombres négatifs? La solution la plus immédiate consiste à réserver un bit pour le signe, les autres bits représentant la valeur absolue du nombre. La convention qui prévaut consiste à mettre le premier bit (c est à dire celui étant situé le plus à gauche et qui est normalement le bit de poids fort ou MSB Most Significant Bit) à 0 pour repérer un nombre positif et à mettre ce même bit à 1 dans le cas d un nombre négatif.
données signées : ¼¼½½ ½¼½½ Une telle représentation des nombres signés entraîne un traitement spécial du signe et des circuits électroniques différents selon que l on veut réaliser des additions ou des soustractions. De plus elle implique une double représentation de 0. Cet inconvénient est résolu par l usage d une autre forme de représentation dit en complément. La méthode des compléments Complément restreint (ou complément à 1) Le complément restreint d un nombre binaire s obtient par la simple inversion des valeurs des bits constituant ce nombre. Ainsi en considérant le nombre signé : 1011 représentant le nombre ½¼, le complément restreint sera 0100 représentant le nombre ½¼. Complément vrai (ou complément à 2) Le complément vrai (ou complément à 2) d un nombre s obtient quant à lui en ajoutant 1 au complément restreint.
Ainsi dans l exemple précédent : 0100 Complément restreint + 1 0101 Complément vrai Fonctionnement en complément restreint Dans une machine travaillant en complément restreint, la soustraction sera obtenue par l addition du complément restreint du nombre à soustraire et report de la retenue. Exemple : ½¼ 0011 1001 0011 1001 - ½ ½¼ µ - 0000 1110 µ 1111 0001 Complément restreint ½¼ 1 0010 1010 report retenue 1 0010 1011 S il y a absence de report, issu du dernier rang, cela signifie que le résultat est négatif et qu il se présente alors sous la forme complémentaire (complément restreint). Il suffira donc d en trouver le complément restreint pour retrouver la valeur recherchée.
Exemple : ½ ½¼ 0000 1110 0000 1110 - ½¼ µ - 0011 1001 µ 1100 0110 - ½¼ 1101 0100 pas de report Nous n avons pas de report; le résultat se présente donc comme un nombre négatif sous sa forme complémentée (complément restreint). Il suffit alors de déterminer le complément restreint pour avoir la valeur, soit dans notre cas : 0010 1011 ou encore ½¼ Le résultat définitif est donc ½¼. NB : Le principe précédent est valable pour les compléments vrais. La technique est la même à cela près que l on ne réinjecte pas le débordement (retenue). Les nombre fractionnaires Les nombres que nous avons utilisés jusqu alors étaient des nombres entiers positifs ou négatifs. Il est évidemment possible de rencontrer des nombres fractionnaires qu il conviendra de pouvoir coder en binaire. Nous avons vu que la partie entière d un nombre se traduisait par des puissances positives de 2. La partie décimale va se traduire par des puissances négatives de 2. Le nombre binaire ainsi obtenu se présentera donc sous la forme d une partie entière situé à gauche de la marque décimale, et d une partie fractionnaire située à droite.
Exemple : ½½¼ ¼½ ¾ sera équivalent à ½ ¾ ¾ µ ½ ¾ ½ µ ¼ ¾ ¼ µ ¼ ¾ ½ µ ½ ¾ ¾ µ soit à ¾ ½¼. La conversion binaire/décimal se fait donc de manière aisée. Il en est de même pour la conversion décimal/binaire. Pour la partie fractionnaire, il suffit de multiplier cette partie par 2, la partie entière ainsi obtenue représentant le poids binaire (1 ou 0). La partie fractionnaire restante est à nouveau multipliée par 2 et ainsi de suite jusqu à ce qu il n y ait plus de partie fractionnaire ou que la précision obtenue soit jugée suffisante. Exemple : ¼ ¾ ½¼ ¼ ¾ ¾ = ½ ¾ ¼ poids binaire ½ ¾ ½ µ ¼ ¾ ¼ ¾ = ¼ ¼¼ poids binaire ¼ ¾ ¾ µ ¼ ¼¼ ¾ = ½ ¼¼¼ poids binaire ½ ¾ µ Quand il ne reste plus de partie fractionnaire on s arrête. Ainsi : ¼ ¾ ½¼ ½¼½ ¾
Exercice : Convertir en binaire ¼ ½ ½¼ ¼ ¾ ½ reste ½ ½ ¾ reste ½ ¾ reste ¼ ¾ ½ reste ¼ ½ ¾ reste ½ ¾ reste ½ ¾ ¾ reste ¼ ¾ ¾ ½ reste ¼ ½ ¾ ¼ reste ½ ¼ ½ ¾ ¼ ¼ ¼ ¾ ¼ ¾ ¼ ¼ ¾ ¾ ½ ½ ¼ ¾ ¼ ¼ ¼ ¾ ½ ½ ¼ ¾ ½ ¾ ½... ¼ ½ ½¼ ½¼¼½½¼¼½½ ¼¼½¼½½ ¾
La notation hexadécimale Le langage binaire s il représente l avantage d être directement compréhensible par la machine (et peut donc être appelé langage machine) est par contre difficilement assimilable par l homme. On utilise en conséquence d autres systèmes de notation et notamment le système hexadécimal à base 16. 0123456789ABCDEF Conversions Il est possible de passer d un nombre en base 10 à un nombre en base 16 par divisions successives. Exemples : À convertir en base 16 le nombre ½¼. ½ ¾¾ reste ¾¾ ½ ½ reste ½ ½ ¼ reste ½ ½¼ ½ ½ Exercice : Convertir en base 16 le nombre ½ ½¼ ½ ½ reste ½ reste ½½ ½ ¼ reste
Les chiffres supérieurs à 10 n existent pas en tant que tels dans la notation hexadécimale où ils doivent être remplacés par des lettres. Ainsi le 11 devra-t-il être remplacé par la lettre B. D où le résultat final : ½ ½ ½¼ Inversement il est aisé de passer d un nombre en notations hexadécimale à un nombre décimal par multiplications successives. Exemple : ½ à convertir en base 10. ½ ½ ¾ ½ ½ ½ ½ ½ ¼ ½ ¾ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½¼ Passage direct binaire/hexadécimal Si l on représente les 16 symboles de l alphabet hexadécimal en binaire on constate que l on utilise pour chacun d eux un maximum de 4 bits. Ainsi on peut directement passer du binaire à l hexadécimal en décomposant le nombre binaire en blocs de 4 bits et en restituant sa valeur hexadécimale à chacun de ces blocs. Exemple : ½ ½¼ donne en binaire ½½½¼½½¼½½½ ¾
En décomposant ce nombre par blocs de 4 bits, à partir de la droite, on obtient : 0011 1011 0111 3 11 7 soit 3 B 7 Le passage de l hexadécimal en binaire peut donc se faire de la manière inverse c est-à-dire en convertissant les chiffres qui composent le nombre hexadécimal en leur équivalent binaire. Exemple : ¼ ½ donne en binaire ¼¼½½¼¼¼¼½½½½ ¾