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6 Matériel et logiciels Dans ce chapitre, nous décrivons de façon schématique l

6 Matériel et logiciels Dans ce chapitre, nous décrivons de façon schématique le fonctionnement d’un ordinateur, ainsi que certaines limitations intrinsèques. I Éléments d’architecture d’un ordinateur Nous commençons par décrire le matériel informatique constituant un ordinateur, et permettant son fonctionnement. Notre but est de donner une idée rapide, sans entrer dans le détail logique du fonc- tionnement du processeur (portes logiques) et encore moins dans le détail électronique caché derrière ce fonctionnement logique (ampliﬁcateurs opérationnels, transistors etc.) I.1 Modèle de Von Neumann Pour commencer, interrogeons-nous sur la signiﬁction-même du terme « informatique ». Déﬁnition 6.1.1 (Informatique) Le mot informatique est une contraction des deux termes information et automatique. Ainsi, l’infor- matique est la science du traitement automatique de l’information. Il s’agit donc d’appliquer à un ensemble de données initiales des règles de transformation ou de calcul déterminées (c’est le caractère automatique), ne nécessitant donc pas de reﬂexion ni de prise d’initiative. Déﬁnition 6.1.2 (Ordinateur) Un ordinateur est une concrétisation de cette notion. Il s’agit donc d’un appareil concret permettant le traitement automatique des données. Il est donc néces- saire que l’ordinateur puisse communiquer avec l’utilisateur, pour permettre l’entrée des données initiales, la sortie du résultat du traitement, et l’entrée des règles d’automatisation, sous la forme d’un programme. Le modèle le plus couramment adopté pour décrire de façon très schématique le fonctionnement d’un ordinateur est celui décrit dans la ﬁgure 6.1, appelé architecture de Von Neumann. Dans ce schéma, les ﬂèches représentent les ﬂux possibles de données. Note Historique 6.1.3 (von Neumann) John von Neumann (János Neumann) est un scientiﬁque américano-hongrois (Budapest, 1903 - Washington, D.C., 1957). Ses domaines de recherche sont très variés, de la mécanique quantique aux sciences économiques, en passant par l’analyse fonctionnelle, la logique mathématique et l’informatique. Il contribue au projet Manhattan, 88 CHAPITRE 6. MATÉRIEL ET LOGICIELS Mémoire Unité centrale (Processeur) Unité de contrôle Unité arithmétique et logique (UAL) Accumulateur Entrées Sorties Figure 6.1 – Modèle d’architecture de Von Neumann et notamment à l’élaboration de la bombe A, puis plus tard de la bombe H. Son nom reste attaché à la description de la structure d’un ordinateur, en 1945. C’est sur ce schéma qu’ont ensuite été élaborés les premiers ordinateurs. Si les ordinateurs actuels sont souvent beaucoup plus complexes, leur schéma grossier reste cependant très proche du schéma de l’architecture de von Neumann. Note Historique 6.1.4 (architecture de von Neumann) Le schéma d’un ordinateur (architecture de von Neumann) a été donné en 1945 par John von Neumann, et deux collaborateurs dont les noms sont injustement restés dans l’oubli : John W. Maukly et John Eckert. John von Neumann lui-même attribue en fait l’idée de cette architecture à Alan Turing, mathématicien et informaticien britannique dont le nom reste associé à la notion de calculabilité (liée à la machine de Turing), ainsi qu’au décryptage de la machine Enigma utilisée par les nazis durant la seconde guerre mondiale. • Entrées - sorties Les entrées et sorties se font au moyen de périphériques spéciaux destinés à cet usage. ∗Les périphériques d’entrée permettent à un utilisateur d’entrer à l’ordinateur des données, sous des formats divers : clavier, souris, scanner, webcam, manettes de jeu etc. ∗Les périphériques de sortie permettent de restituer des informations à l’utilisateur. Ils sont indispensables pour pouvoir proﬁter du résultat du traitement de l’information : écran, impri- mante, hauts-parleurs, etc. ∗Certains périphériques peuvent parfois jouer à la fois le rôle d’entrée et de sortie, comme les écrans tactiles. Ils peuvent aussi avoir des fonctions non liées aux ordinateurs, comme certaines photocopieuses, dont l’utilisation essentielle ne requiert pas d’ordinateur, mais qui peuvent aussi faire oﬃce d’imprimante et de scanner. • La mémoire permet le stockage des données et des logiciels (programmes) utilisés pour les traiter. Ce stockage peut être : ∗déﬁnitif (mémoire morte, ou ROM, inscrite une fois pour toute, et non modiﬁable, à moins d’interventions très spéciﬁques) ; I Éléments d’architecture d’un ordinateur 89 ∗temporaire à moyen et long terme (stockage de données et logiciels que l’utilisateur veut garder, au moins momentanément) ; ∗temporaire à court terme (données stockées à l’initiative du processeur en vue d’être utilisées ultérieurement : il peut par exemple s’agir de résultats intermédiaires, de piles d’instructions etc.). L’architecture de von Neumann utilise le même type de mémoire pour les données et les pro- grammes, ce qui permet la modiﬁcation des listes d’instructions (elle-mêmes pouvant être gérées comme des données). Ce procédé est à l’origine des boucles. Nous reparlerons un peu plus loin des diﬀérents types de mémoire qui existent. • Le processeur est le cœur de l’ordinateur. C’est la partie de l’ordinateur qui traite l’information. Il va chercher les instructions dans un programme enregistré en mémoire, ainsi que les données nécessaires à l’exécution du programme, il traduit les instructions (parfois complexes) du pro- gramme en une succession d’opérations élémentaires, exécutées ensuite par les unités de calcul (UAL et unité de calcul en virgule ﬂottante). Il interagit aussi éventuellement avec l’utilisateur, suivant les instructions du programme. Nous étudierons un peu plus loin le processeur de façon un peu plus précise, sans pour autant entrer dans les détails logiques associés aux traductions et aux exécutions. • Le transfert des données (les ﬂèches dans le schéma de la ﬁgure 6.1) se fait à l’aide de ﬁls électriques transportant des impulsions électriques, appelés bus. ∗Un bus est caractérisé : — par le nombre d’impulsions électriques (appelées bits) qu’il peut transmettre simultané- ment. Ce nombre dépend du nombre de conducteurs électriques parallèles dont est constitué le bus. Ainsi, un bus de 32 bits est constitués de 32 ﬁls conducteurs pouvant transmettre indépendamment des impulsions électriques. — par la fréquence des signaux, c’est-à-dire le nombre de signaux qu’il peut transmettre de façon successive dans un temps donné. Ainsi, un bus de 25 MHz peut transmettre 25 millions d’impulsions sur chacun de ses ﬁls chaque seconde. Ainsi, un bus de 32 bits et 25 MHz peut transmettre 25 · 106 · 32 bits par seconde, soit 800 · 106 bit par seconde, soit environ 100 Mo (mégaoctet) par seconde (un octet étant constitué de 8 bit). Le « environ » se justiﬁe par le fait que les préﬁxes kilo et méga ne correspondent pas tout-à-fait à 103 et 106 dans ce cadre, mais à 210 = 1024 et 220 = 10242. ∗Les bus peuvent donc transmettre les données à condition que celles-ci soient codées dans un système adapté à ces impulsions électriques. La base 2 convient bien ici (1 = une impulsion électrique, 0 = pas d’impulsion électrique). Ainsi, toutes les données sont codées en base 2, sous forme d’une succession de 0 et de 1 (les bits). Ces bits sont souvent groupés par paquets de 8 (un octet). Chaque demi-octet (4 bits) correspond à un nombre allant de 0 à 15, écrit en base 2. Ainsi, pour une meilleure concision et une meilleure lisibilité, les informaticiens amenés à manipuler directement ce langage binaire le traduisent souvent en base 16 (système hexadécimal, utilisant les 10 chiﬀres, et les lettres de a à f). Chaque octet est alors codé par 2 caractères en hexadécimal. ∗Les bus se répartissent en 2 types : les bus parallèles constitués de plusieurs ﬁls conducteurs, et permettant de transmettre un ou plusieurs octets en une fois ; et les bus séries, constitués d’un seul conducteur : l’information est transmise bit par bit. Paradoxalement, il est parfois plus intéressant d’utiliser des bus séries. En eﬀet, puisqu’un bus série utilise moins de conducteur qu’un bus parallèle, on peut choisir, pour un même prix, un conducteur de bien meilleure qualité. On obtient alors, au même coût, des bus séries pouvant atteindre des débits égaux, voire supérieurs, à des bus parallèles. ∗Un ordinateur utilise des bus à 3 usages essentiellement : — le bus d’adresses, dont la vocation est l’adressage en mémoire (trouver un endroit en mé- moire). C’est un bus unidirectionnel ; — les bus de données, permettant la transmission des données entre les diﬀérents composants. 90 CHAPITRE 6. MATÉRIEL ET LOGICIELS Ce sont des bus bidirectionnels ; — les bus de contrôle, indiquant la direction de transmission de l’information dans un bus de données. • La carte-mère est le composant assurant l’interconnexion de tous les autre composants et des périphériques (via des ports de connection). Au démarrage, elle lance le BIOS (Basic Input/Output System), en charge de repérer les diﬀérents périphériques, de les conﬁgurer, puis de lancer le démarrage du système via le chargeur d’amorçage (boot loader). I.2 Mémoires Nous revenons dans ce paragraphe sur un des composants sans lequel un ordinateur ne pourrait rien faire : la mémoire. La mémoire est caractérisée : • par sa taille (nombre d’octets disponibles pour du stockage). Suivant le type de mémoire, cela peut aller de quelques octets à plusieurs Gigaoctets ; • par sa volatilité ou non, c’est-à-dire le fait d’être eﬀacée ou non en absence d’alimentation élec- trique. • par le fait d’être réinscriptible ou non (mémoire morte, mémoire vive). Nous énumérons ci-dessous diﬀérents types de mémoire qu’on peut rencontrer actuellement. Du fait de l’importance de la mémoire et des uploads/Ingenierie_Lourd/ materiel-et-logiciels.pdf