introduction à l'informatique architecture licence 1 - octobre 2007
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Introduction à l'informatique
ArchitectureLicence 1 - Octobre 2007
L1 – Introduction à l'informatique2007 2/57
But de ce cours
Pas faire de vous des experts en informatique
Plutôt vous donner une culture généraleet des outils pour votre futur métier !
L1 – Introduction à l'informatique2007 3/57
Introduction
L'informatique est présente partout :- études (support d'apprentissage)- maison (communication, bureautique)- faits de société (brevets, Microsoft,…)
Le public se fait souvent une fausse idée :ordinateur = engin intelligent…
C'est FAUX !
L1 – Introduction à l'informatique2007 4/57
Objectifs Vous expliquer les notions
fondamentales Vous en faire percevoir les différentes
facettes de façon (relativement ...) simple
Vous montrer qu'il n'y a pas de magie Démonter tous les mécanismes
intervenants
Si vous ne comprenez pas quelque chose...
INTERVENEZ !
L1 – Introduction à l'informatique2007 5/57
Généralités
L1 – Introduction à l'informatique2007 6/57
Codage de l'information
Cailloux (calcul), bâtons, doigts
Systèmes de numérations égyptiens, sumériens, romains
numérotation décimale2003 = 2*1000 + 0*100 + 0*10 + 3
numérotation en base bn =(ckck-1 … c1c0)b= ck*bk + ck-1*bk-1 + ... + c1*b1 + c0*b0
Exemple : MCXV
(11111010011)2 = 210+29+28+27+26+0+24+0+0+21+20(= (2003)10)
Codex de Dresde
(base 10)
L1 – Introduction à l'informatique2007 7/57
Codage de l'information
numérotation en base 2 exemples : 0 1 2(base 10) 19 2003
(base 2) 0 1 10 10011 11111010011
arithmétique en base 2
1101101111011011
11011011+ 1011
11111011011* 101
10001000111
addition :
multiplication :
1
11100110
L1 – Introduction à l'informatique2007 8/57
Codage de l'information
• bit : binary digit = chiffre binaire ( 1 dispositif physique pour matérialiser 1 bit )
8 bits (1 octet) 28 = 25632 bits (4 octets) 232 = 4 294 967 296
• pour représenter un entier en binaire, il faut plusieurs bits
• Avec n bits, on représente au plus 2n entiers différents
• dépassement de capacité (overflow)+ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 00 0 0 01
4 bits 24 = 16
Ex : 7dec
= 111 (3 bits) , 8dec = 1000 (4 bits), 15
dec = 1111 (4bits)
L1 – Introduction à l'informatique2007 9/57
Codage de l'information
• Complément à 2: plus complexe
• bit de signe (simple)1 0 1 0 1 1 0 0 - 44
4832+ + = 44Signe -
44 = 00101100
- 44 = 10101100
11011000 ≠ 0
Problème
L1 – Introduction à l'informatique2007 10/57
Codage de l'information
• Caractères :
• chaînes de caractères (exemple) :
numérotation des caractèrescode ASCII (sur 1 octet)
...
65
66
67
68
…
97
98
…
A
B
C
D
…
a
b
1 octet
s a l u t f o u l e
espace (32)fin de chaîne (0)
chaîne avec 11 caractères (+ 1 pour indiquer la fin)
1000001
1000010
1100001
1100010
• Années 90 : autres codages sur 16 ou 32 bits
L1 – Introduction à l'informatique2007 11/57
Codage de l'information• Images
- plusieurs formats standards
- exemple : bitmap en noir et blanc
- couleur : 3 octets par pixels (R,V,B)
9 17 153bits
en-tête données de l ’image(2*2 octets) pixel : 0 = noir, 1 = blanc
- pixel = picture element
L1 – Introduction à l'informatique2007 12/57
Codage de l'information
•Images- image couleur : codage d'un pixel sur n bits
• Vidéos- la plus simple est une suite d’images- plusieurs formats standards
- image "3D" : tableaux de mots de n bits
avec 24 bits par pixel : palette de 16,7 m. de couleurs
souvent 25 images/seconde
• Son
• Hypermédia - adresses et méthodes de navigation ...
- analogique digital (discrétisation)
L1 – Introduction à l'informatique2007 13/57
Codage de l'information
bit de parité :
tableau de bits de parité
1 0 1 0 1 1 0 0
ajouter un bit de contrôle tous les x bits
exemple : parité paire sur 7 bits
1 0 1 0 1 1 0 01 1 0 0 0 1 0 10 0 1 0 0 0 1 01 1 1 0 1 1 0 11 0 1 0 0 1 1 0
1 0 1 0 1 0 0 0
okpb
pendant sa transmission, une suite de bits peut être altéréenécessité d'utiliser des codes pour détecter, voire
corriger les erreurs
L1 – Introduction à l'informatique2007 14/57
Codage de l'information
Objectif de la compression : diminuer le nombre de bits utilisés pour le stockage et la transmission de l'information
taux de compression
Facteurs de compression
qualité de la compression temps de compression
L1 – Introduction à l'informatique2007 15/57
Codage de l'information
codage de redondances :
compression destructive
compression sans perte :
jpeg : images fixes
aaaaaaaaaaaaaaabbaaabbbbbbbbbbbbbdonne 15a2b3a13b
mp3 : fichiers son
mpeg : séquences d'images
L1 – Introduction à l'informatique2007 16/57
Calculeret : opération notée .
.
0
1
0 1
0
0
0
1
ou : opération notée ++
0
1
0 1
0
1
1
1
non : opération notée
0 = 1
1 = 0
On sait réaliser ces opérations électroniquement
L1 – Introduction à l'informatique2007 17/57
Calculer
a1 a0 b1 b0 c1 c0o
C'est un circuit combinatoire
L1 – Introduction à l'informatique2007 18/57
Architecture
L1 – Introduction à l'informatique2007 19/57
Architecture modulaire
Carte mère Processeur Mémoire vive Disque dur Ecran Périphériques Lecteurs
L1 – Introduction à l'informatique2007 20/57
Différents ordinateurs
PC (Personal Computer) Macintosh Mainframe (Gros systèmes) etc.
L1 – Introduction à l'informatique2007 21/57
Sous le capot…
Jetons un coup d'œil a l'intérieur ...
L1 – Introduction à l'informatique2007 22/57
Définition
Machine électronique de traitement de l'information capable d'exécuter un ensemble d'instructions (programme) préalablement enregistré dans sa mémoire.
Anglais : computer
L1 – Introduction à l'informatique2007 23/57
Principe de base
Organe de sortie
Unité centrale
Mémoire
Unité de traitement
Interface d'entrées/sorties
d’entréeOrgane
DonnéesProgrammes
Résultats
L1 – Introduction à l'informatique2007 24/57
Pour quoi faire ?
Taper un rapport Éditer ses photos de vacances Calculer sa moyenne, sa feuille
d'impôt Jouer Naviguer sur Internet …
Utiliser des LOGICIELS qui serventUtiliser des LOGICIELS qui serventà créer, à transformer et à éditer desà créer, à transformer et à éditer desdonnées ...données ...
L1 – Introduction à l'informatique2007 25/57
Vue d'ensemble
L1 – Introduction à l'informatique2007 26/57
Le matériel……plus en détails
L1 – Introduction à l'informatique2007 27/57
Carte mère
L’interface : le BIOS Support CPU et “Chipset” Les “slots” :AGP, PCI (-express),
ISA La pile (batterie)
Et surtout, le BUS…
L1 – Introduction à l'informatique2007 28/57
La carte mère
L1 – Introduction à l'informatique2007 29/57
Processeur(s) Caractéristiques
Architecture : RISC (Sparc), CISC (Intel), ... Un ou plusieurs processeurs, multi-coeurs
(core) Fréquence et vitesse d’horloge La mémoire interne : le cache
Performances Consommation Exemples : Intel P4, Motorola PowerPC,
SUN UltraSPARC III
L1 – Introduction à l'informatique2007 30/57
Arithmétique booléenne
L1 – Introduction à l'informatique2007 31/57
Arithmétique booléenne
L1 – Introduction à l'informatique2007 32/57
Arithmétique booléenne
L1 – Introduction à l'informatique2007 33/57
Arithmétique booléenne
L1 – Introduction à l'informatique2007 34/57
Portes logiques
L1 – Introduction à l'informatique2007 35/57
Fonction booléenne
L1 – Introduction à l'informatique2007 36/57
Unité Arithmétique et Logique
L1 – Introduction à l'informatique2007 37/57
Opérations complexes
L1 – Introduction à l'informatique2007 38/57
UAL : Choix de l'opération
L1 – Introduction à l'informatique2007 39/57
UAL: Choix de l'opération
L1 – Introduction à l'informatique2007 40/57
UAL: Choix de l'opération
L1 – Introduction à l'informatique2007 41/57
Synthèse
L1 – Introduction à l'informatique2007 42/57
Architecture classique d’un processeurCycle classique
1- lire une instruction (à l’adresse indiquée)
2- décoder l’instructioncalculer (éventuellement) les adresses des opérandes et les lire
3- exécuter l’instruction
4- écrire (éventuellement) le résultat en mémoire
L1 – Introduction à l'informatique2007 43/57
Architecture classique d’un processeur
L1 – Introduction à l'informatique2007 44/57
Architecture classique d’un processeur
L1 – Introduction à l'informatique2007 45/57
Architecture classique d’un processeur
L1 – Introduction à l'informatique2007 46/57
Architecture classique d’un processeur
L1 – Introduction à l'informatique2007 47/57
Architecture classique d’un processeur
L1 – Introduction à l'informatique2007 48/57
Architecture classique d’un processeur
L1 – Introduction à l'informatique2007 49/57
Architecture classique d’un processeur
Schéma classique simplifié
mém
oire données
contrôle
registresdonnées
registreinstruction décodeur
adresses
UAL
données
contrôle
adresses
registreinstruction décodeur
registresdonnées
UAL
L1 – Introduction à l'informatique2007 50/57
Architecture classique d’un processeur
Idée : tirer parti de l'indépendance de certaines unités fonctionnelles
décodage lect. op. calcul écriturelect. instrlect. instr décodage lect. op. calcul écriture
lect. instr décodage lect. op. calcul écriture
décodage lect. op. calcul écriturelect. instr
décodage lect. op. calcul écriturelect. instr
décodage lect. op. calcullect. instr
Si tout se passe bien : on traite 5 fois plus d'instructions en moyenne
Pipeline profond (20 niveaux)
L1 – Introduction à l'informatique2007 51/57
Le processeur
L1 – Introduction à l'informatique2007 52/57
Le BUS
Gère les communications entre les différentes unités fonctionnelles :
processeur, mémoire, contrôleur de disques, carte graphique, etc.
Sa vitesse est prépondérante !
L1 – Introduction à l'informatique2007 53/57
Structure d'un ordinateur
bus des données
RAM ROME/S
écranclavierdisques
bus de contrôle
processeur
bus des adresses
L1 – Introduction à l'informatique2007 54/57
Communiquer
bus interne au processeur
bus pour le cache
communication entre les unités fonctionnelles
fils + circuits pour la synchronisation
vitesse de communication : fréquence du processeur
communication entre un cache externe et le processeur
vitesse de communication : proche de celle du processeur
L1 – Introduction à l'informatique2007 55/57
Mémoire cache
L1 – Introduction à l'informatique2007 56/57
La mémoire
L1 – Introduction à l'informatique2007 57/57
Mémoriser
Critères d'évaluation des mémoires• Temps d'accès• Capacité• Coût par bit
Plusieurs niveaux
Registres
Mémoire cache
Mémoire centrale
Mémoire de masse
Vitesse
_
+ _
+
Capacité
Coût
Proximité du processeur
Différentes technologies
L1 – Introduction à l'informatique2007 58/57
Mémoriser
Registres • Conservation des informations proche de l’UAL
• Stockage des opérandes et des résultats intermédiaires
Mémoire cache
Mémoire vive (RAM – Random Access Memory)Mémoire morte (ROM – Read Only Memory)Disques dursDisquettes, CD-ROMBandes magnétiques CD-ROM spéciaux
Mémoire centrale
• Tampon entre l'unité centrale et la mémoire centrale
• Accélération des accès
Organe principal de rangement des informations
utilisées par l'unité centrale (instructions et données)
Mémoire de masse
L1 – Introduction à l'informatique2007 59/57
Mémoriser
La mémoire doit conserver la trace du passage du courant
Mémoire = ensemble de composants électroniques capables de mémoriser chacun un bit
Il existe plusieurs technologies permettant de conserver la trace du courant, correspondant à plusieurs types de mémoire.
- mémoires mortes
- mémoires statiques- mémoires dynamiques
- mémoires de masse : magnétiques ou optiques
RAM : infos perdues hors alimentation électrique
}
} ROM : infos conservées même hors alimentation électrique
L1 – Introduction à l'informatique2007 60/57
Mémoriser mémoires statiques
Circuits séquentiels - l’état d’un circuit séquentiel dépend de ses entrées,
ainsi que de l’état précédent- circuit séquentiel de base : bascule
Bascule à deux états stables (0 ou 1) Permet de mémoriser un bitBascule asynchrone
- prend en compte la valeur de ses entrées à tout momentBascule synchrone
- asservie à une horloge- les modifications des signaux d'entrée entre deux
tops d'horloge sont sans incidence sur la valeur de sortie
L1 – Introduction à l'informatique2007 61/57
Mémoire statiqueBascule D
L1 – Introduction à l'informatique2007 62/57
Mémoire statiqueBascule D
L1 – Introduction à l'informatique2007 63/57
Mémoriser mémoires dynamiques
les mémoires statiques (SRAM – Static RAM) sont rapides... ... mais chères ...
les mémoires dynamiques (DRAM – Dynamic RAM)- un seul transistor couplé à un condensateur pour stocker un bit (≠ 6 transistors par bit en SRAM)
le condensateur se décharge progressivement entrainant la perte de l'information
le circuit doit être rafraîchi périodiquement (plusieurs milliers de fois par seconde)
pour chaque bit : lire sa valeur et la réécrire immédiatement
L1 – Introduction à l'informatique2007 64/57
Mémoriser mémoires statiques / dynamiques
SRAM- plus rapide- plus coûteuse- taille plus importante
DRAM- circuit de rafraîchissement → plus lente- fabrication plus simple → moins coûteuse- densité d'intégration plus grande (facteur 4)
Utilisée pour les caches
Utilisée pour la mémoire centrale
L1 – Introduction à l'informatique2007 65/57
La mémoire vive
L1 – Introduction à l'informatique2007 66/57
Mémoriser mémoires de masse
Besoin de mémoire de masse
- mémoires magnétiques
- mémoires optiques CD-rom, DVD-rom
- dotée (très) grande capacité - pour le stockage permanent de l'information en l'absence de courant
(quelques années)
Deux types de mémoire de masse
disques durs, disquettesbandes magnétiques{
L1 – Introduction à l'informatique2007 67/57
Le disque dur
L1 – Introduction à l'informatique2007 68/57
De plus près…supports magnétiques/disques durs
cheveu
trace de doigtfumée
L1 – Introduction à l'informatique2007 69/57
Mémoriser supports optiques : disques optiques
cuvette dans la pellicule réfléchissante
trou dans la pellicule réfléchissante
indice de réfraction du substrat transparent
Principe : rayon laser envoyé sur une surface
réfléchissante. On observe (ou non) un rayon
réfléchi.
– modifiable 1 fois (Recordable)– effaçable (Rewritable)
L1 – Introduction à l'informatique2007 70/57
Mémoriser hiérarchie mémoire : caractéristiques
Taille Temps d’accès (ns)
Débit (Mo/sec) Technologie
Registres < 1 Ko 0,25 – 0,5 20 000 – 100 000 Mémoire
spécialisée
Cache < 16Mo 0,5 - 25 5 000 - 10 000 SRAM
Mémoire principale
< 16 Go 80 - 250 1000 - 5000 DRAM
Mémoire de masse
> 100 Go 5 000 000 20 - 150 Support
magnétique
L1 – Introduction à l'informatique2007 71/57
Les cartes additionnelles
Sur les slots de la carte mère Quelques cartes fréquentes :
Réseau Vidéo Son SCSI / RAID TV
L1 – Introduction à l'informatique2007 72/57
La carte vidéo
L1 – Introduction à l'informatique2007 73/57
Périphériques entrées/sorties
Par définition, un périphérique n'est pas indispensable au démarrage :Clavier / SourisEcranScanner, imprimanteWebcamModem
L1 – Introduction à l'informatique2007 74/57
Ports additionnels
Permettent de brancher les périphériques
Parallèle Série USB PS/2 Firewire ...
L1 – Introduction à l'informatique2007 75/57
Lecteurs
CDROM / DVDROM (et graveurs ...) Disquette Bandes magnétiques
(sauvegardes) Lecteurs de cartes mémoires
L1 – Introduction à l'informatique2007 76/57
Le lecteur/graveur DVD
L1 – Introduction à l'informatique2007 77/57
Ecran
Taille de la diagonale Résolution (nombre de points) Fréquence de rafraîchissement CRT (tube) vs TFT (plat) TFT : Luminosité, angle de vue, ...
L1 – Introduction à l'informatique2007 78/57
A suivre : le système...