Chapitre 1 : Machines, systèmes d exploitation 0 Un mot sur l informatique en général L informatique est la science du traitement automatique et rationnel de l information, considérée comme le support des connaissances et des communications. Les applications de cette sciences mettent en oeuvre la conception d ordinateurs (en un sens très large cf. ci-dessous) et de logiciels. L informatique n est donc pas la science des ordinateurs ou la science des logiciels 1 Qu est-ce qu un ordinateur? Essai d une définition conceptuelle Une tablette numérique, un smartphone, un ordinateur portable ou de bureau, tout cela ce sont des Définition. Un ordinateur est une machine traitant des informations, capable en principe de prendre comme données d entrée n importe quel algorithme et de l exécuter. Qu est-ce qu un algorithme? Nous le découvrirons au fur et à mesure mais vous connaissez déjà des algorithmes : Exercice 1 (Complément). Un lecteur de DVD de salon, une box fournie par un fournisseur d accès à Internet (F.A.I.), sont-ils des ordinateurs? 2 Les ordinateurs réalisés comme dispositifs électroniques N.B. La définition des ordinateurs donnée au paragraphe précédent ne fait pas référence à l électronique et on peut effectivement fabriquer des ordinateurs autrement. Un exemple : http://www.ens-lyon.eu/actualites/la-machine-de-turing-en-legos--158118.kjsp Voir page informatique du site de la classe. 2.1 Les 0 et les 1 Les ordinateurs que nous utilisons sont des dispositifs électroniques. En électronique, l information est codée par des 0 et des 1, eux-mêmes associés à deux seuils de tension électrique. Si la tension est en-dessous d un certain seuil, on considère qu on a un 0, si elle est au-dessus d un autre seuil, on considère qu on a un 1, comme sur le schéma ci-dessous. 1
Exercice 2. a) Pourquoi, y-a-t-il deux seuils? b) Connaissez-vous l ordre de grandeur des tensions qui interviennent dans les circuits électroniques? Définition. Cette unité d information électronique, qui peut valoir 0 ou 1, s appelle un bit, contraction de 2.2 Comment tout coder avec des 0 et des 1? Nous y reviendrons, mais à l intérieur d un ordinateur tout est codé par des nombres, écrits en base deux. En base deux, les nombres entiers sont dans l ordre : Souvent les bits sont regroupés par mots : par exemple un mot du 8 bits comme 01001110 s appelle un octet. 2.3 Composant élémentaires : des transistors On a vu en cours de maths (vous reverrez en S.I.) les portes logiques Non, Et, Ou, Nand, Nor. Dans un ordinateur, il y a tout cela. A un niveau plus élémentaire, ces portes sont fabriquées avec des transistors : Le transistor est un composant qui réagit en fonction de la tension appliquée sur sa grille : suivant la tension appliquée à la grille, ce transistor conduira le courant entre la source et le drain ou pas. En fait, on utilise deux types de transistors : ceux qui laissent passer le courant lorsqu on place une tension égale à 0 sur la grille, et ne le laissent pas passer si on place une tension égale à 1 sur la grille, on dira ici par commodité de type 0 ceux qui font l inverse, qu on dira ici de type 1. Pour faire simple : un tel transistor est un interrupteur commandé : la valeur 0 ou 1 de la tension sur la grille se comporte comme notre doigt qui appuie sur l interrupteur pour ouvrir ou fermer le circuit entre S et D. 2.4 Comment on fabrique des portes logiques avec les transistors Exercice 3. Justifier que le circuit suivant, avec deux transistors de type différent, permet de fabriquer une porte Non. Le transistor du haut (avec un rond devant) est de type 0, celui du bas est de type 1. 2
Exercice 4. Justifier que le montage suivant avec quatre transistors fabrique une porte Nand : Sachant qu avec des portes Nand on fabrique toutes les autres portes (cf. exo. de maths) on sait donc tout fabriquer avec des transistors. 2.5 Quels circuits dans l ordinateur? Les circuits logiques et de calculs On a déjà vu comment réaliser les différentes opérations logiques. On va voir ici à titre d exemple comment on peut en déduire une machine à faire des additions. Pour simplifier (beaucoup) on va ajouter des nombres de un chiffre en binaire! En binaire 0 et 1 sont 0 et 1, mais le nombre 2 s écrit 10 (le nombre 3 s écrit 11 etc). Ainsi 1 + 1 = 10. C est pourquoi la sortie doit donner deux chiffres et on a donc besoin de deux sorties. On veut donc une porte + qui à partir de deux entrées A et B donne deux sorties pour les deux chiffres du résultats. Dans le tableau ci-dessous à droite les deux sorties sont appelées C et S où C est l initiale de Carry, la retenue en anglais. 3
Exercice 5. Réaliser, avec les portes logiques que vous connaissez, un circuit donnant cette table de vérité. Exercice 6 (Plus difficile). Quelle genre de porte logique faudrait-il pour additionner des nombres à plus de un chiffre? N.B. En mettant à la file ces différents additionneurs, on pourrait ainsi ajouter les nombres en binaires. Cependant, cette méthode (dite d addition par propagation de retenue) n est pas la plus efficace, et de manière surprenante, il existe des méthodes d addition qui permettent d ajouter tous les chiffres simultanément sans attendre 2.6 Quels circuits dans l ordinateur? Les circuits qui ont de la mémoire La mémoire vive est constituée de petits composants emmagasinant des charges. Ces composants sont rangés sous forme d un tableau (avec un numéro de ligne et un numéro de colonne), de sorte qu on accède à une case mémoire (ou registre) grâce ces numéros. 3 Architecture de l ordinateur A la section précédente, on a vu des petits composants de l activités de l ordinateur, on va essayer ici d esquisser comment ils s organisent, avec d autres. 3.1 Le processeur ou C.P.U. (Central Processing Unit) C est le coeur de l ordinateur : c est lui qui transforme les données, en exécutant des programmes. C est à l intérieur du processeur qui se trouve : L unité arithmétique et logique U.A.L. (en anglais A.L.U. : Arithmetic and logical unit). C est là que se trouvent tous les circuits décrits au 2.5 pour toutes les opérations usuelles. Elle peut faire additions, soustraction, multiplications, divisions, des comparaisons et bien sûr toutes les opérations logiques. Un petit peu de mémoire (très peu) : les registres (cf. 2.6) En gros, cette mémoire est de l ordre de quelques centaines de mots. Si le processeur a très peu de mémoire où est le reste de la mémoire? On va le voir juste après. L unité de contrôle : une partie de processeur qui est justement chargée de dialoguer avec le reste de l ordinateur via des canaux appelés bus. Un schéma simplifié de l architecture de l ordinateur est alors le suivant :... R 0 R 1 R n 3.2 La mémoire Point commun aux mémoires : l information est stockée sous forme de mots ou bytes souvent d un octet (8 bits) mais pas toujours (il est abusif de confondre byte et octet qui sont deux concepts différents). Chaque case mémoire qui peut contenir un byte a un numéro, qui s appelle son adresse. Ainsi pour chercher un contenu mémoire, et éventuellement le modifier, le processeur doit connaître son adresse. 4
3.2.1 Mémoire à accès direct : R.A.M. et R.O.M. La R.A.M. pour Random Access Memory où il ne faut pas traduire ici Random Access par Accès Aléatoire mais plutôt par Accès direct, ce qui signifie qu il n a pas besoin de tout parcourir pour trouver l information. C est une mémoire du même type que les registres du processeurs, en ce sens qu elle est modifiable et disparaît si on éteint l ordinateur. Elle est d accès rapide, mais beaucoup moins que les registres du processeur à cause du passage par le bus. Quand le processeur travaille, il remplit ses registres des info. venant de la R.A.M. (qui sont doubles toujours : adresse mémoire et contenu de cette adresse). 1. La R.O.M. pour Read Only Memory, donc non modifiable. Elle peut servir à contenir les programmes de bases pour permettre à l ordinateur de savoir quoi faire quand on l allume, ce qu on appelle le B.I.O.S (Basic Input/Output System). Aujourd hui ces programmes sont parfois stocké plutôt en mémoire flash, cf. 3.2.2. Physiquement, R.A.M. et R.O.M. reposent sur le fonctionnement par transistor vu au 2.6. 3.2.2 Les mémoires de masse Ce sont les mémoires que l on peut écrire et modifier, comme la R.A.M., mais qui vont demeurer même si on éteint l ordinateur. a) Disque dur sur les ordinateurs du bureau (mémoire magnétique), mémoire flash sur les tablettes et maintenant les ordinateurs de bureau (mémoire à transistor, mais qui ne s efface pas quand on éteint!). Le temps de lecture d un disque dur est environ 1000 fois plus lent que celui de la ram. En outre il dépend de la position de la donnée sur le disque par rapport à celle de la tête de lecture. Quand la R.A.M. est saturée, vous entendez l ordi. qui fait des appels disque-dur, on dit qu il swappe, et il fonctionne au ralenti! b) Lecteur/graveur D.V.D : mémoire optique. 4 Le système d exploitation : O.S. (operating system) 4.1 Présentation a) Le caractère universel des ordinateurs souligné dès le paragraphe 1 dit qu un ordinateur doit faire fonctionner plusieurs programmes : aujourd hui les plus utilisés sont par exemples : traitement de texte (word processor), navigateur web, logiciel de courrier etc... Si tous ces programmes doivent stocker des données sur le disque dur de l ordinateur, il est nécessaire qu ils le fassent de façon coordonnée, afin que chaque programme sache où trouver ses données par exemple. C est le rôle du système d exploitation d organiser cela. L O.S. est un programme, présent sur le disque dur (ou la mémoire flash) de l ordinateur et qui est chargé en mémoire vive dès le démarrage de l ordinateur et jusqu à son extinction. Il faut savoir qu il y a essentiellement deux familles de systèmes d exploitation : i) Le système MS-DOS de Microsoft, qui est devenu Microsoft windows, en situation de quasi-monopole depuis 20 ans sur les ordinateurs de bureau. ii) Les systèmes d exploitations issus d Unix : Linux, Mac OS X et en tablette, smartphone ios, Android, aussi utilisés par exemple dans les box des F.A.I. b) Les ordinateurs étant aujourd hui multi-utilisateur, et en réseaux, l O.S. doit aussi gérer les différents utilisateurs. Cf. le pb. des permissions en Unix en T.P. 4.2 Ce qu on doit savoir faire avec un O.S. : cf. T.P.1. 1. Il s agit en fait d une vision un peu simplifiée, on ne parle pas ici de la mémoire-cache 5
Solutions des exercices Solution 1 Oui ils contiennent des vrais ordinateurs, en terme de capacités de traitement, mais l utilisateur n a pas le pouvoir d y rentrer un algorithme de son choix. Les programmes sont déjà définis pour le lecteur DVD et pour la box, ils sont décidés par le FAI, dont on espère qu il est de confiance. Pour l utilisateur donc, ce ne sont pas des ordinateurs parce qu ils leur manque le caractère universel de la définition précédente. Solution 2 a) Car les circuits que l on considère transforment et mesurent la tension avec une certaine imprécision. Une petite perturbation pourrait sinon transformer un 0 et 1. Ici, avec ce système, il ferait tomber dans la zone interdite, ce qui détecte l erreur. b) Les tensions d alimentation varient entre 0 et 5 volts. Au fur et à mesure, on diminue ces tensions, ce qui économise l énergie et les surchauffes, mais cela demande des appareils plus précis pour détecter les différences de tension. Solution 3 Si on met un 1 en entrée, le transistor du haut va fonctionner comme un interrupteur ouvert et celui du bas comme un interrupteur fermé. La sortie sera donc reliée à la masse et donnera 0. C est l inverse si on met un 0 en entrée. Solution 4 Si on considère la partie du haut à savoir : on voit que cette partie sert à connecter la sortie sur la tension d alimentation du circuit. Les deux transistors utilisés sont du type 0, ils laissent passer le courant quand on met une tension 0 sur la grille. Comme ils sont montés en parallèle, il suffit donc que l une des deux entrées A ou B fasse 0 pour que le courant passe entre l alimentation et la sortie. Donc si l une des deux entrées A ou B fait 0 la sortie donne 1. Si les deux entrées font 1, la sortie n est pas reliée à l alimentation. Considérons maintenant la partie basse : Comme les transistors sont en séries, et que ce sont des transistors de type 1, si les deux font 1, la sortie est reliée à la masse et donne bien 0. Si l un des deux fait 0, la sortie n est pas reliée à la masse, heureusement. Solution 5 Pour obtenir C, il suffit de faire le Xor i.e. le Ou Exclusif de A et B. On sait réaliser ce Xor à partir des autres portes standard, cf. maths. Dans le circuit suivant la porte du haut est une porte Xor et celle du bas une porte And 6
Solution 6 En plus de la porte précédente, il faudrait une porte à 3 entrées et deux sorties. Si les nombres à ajouter s écrivent en binaire x 1 x 0 et y 1 y 0 et qu on note z = z 2 z 1 z 0 la somme, alors avec la porte du calcul des unités on obtient z 0 et c, puis avec x 1 + y 1 + c on calcule z 2 z 1. La table de vérité de la porte est celle de l addition en binaire. Comment en pratique réaliser une telle porte avec des AND et OR? On peut regarder la fabrication de z 2 par exemple : z 2 fait un ssi au moins deux des trois nombres x 1, y 1, c fait 1. Donc z 2 s obtient avec (x1andy 1 )OR(x 1 ANDc)OR(y 1 ANDc. 7