Introduction Micro in Format i Que Polytechnique

*Introduction la micro-informatiqueCours Polytechnique 2me BachelorCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique

Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique

*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatiqueComprendre la technologie du moteur


*Plan du coursCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*IntroductionLordinateur est aujourdhui la machine la plus importante, vitale, complexe, complte, omniprsente, polyvalent.Les plus rcentes rvolutions technologiques trouvent leur source dans linformatique: automatisation, robotique, courrier lectronique, Smartphone, Internet, Multimdia, ..Il sest infiltr partout: domotique, outils, lectromnagers, informatique embarque, automobile, finance, etc.Pourquoi ?? Lordinateur est la machine qui peut se substituer au plus grand nombre dobjets, de fonctions ou dautres machines de ce monde:



*dans son rle de stockage organis de donnes: bibliothque, vidothque, eBook, ipod, mdiathque, album photos, banque de donnes, Cloud, sites Web --> Mmoire du monde dans sa fonction de prsentation organise et interactive de ces mmes donnes: cest son ct TV, CD-ROM, Album, Vido, Multimdia, DVD,.dans son support la communication: Internet, tlphone (VoIP), Smartphone, email, sms,Calcul grande vitesse: Modlisation, simulation, analyses de donnes



Lordinateur, omniprsent*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Il peut se substituer lHomme ?? Intelligence Artificielle (IA):jeux d'chec, systme expert, aide la dcisionLes robots trader ultrarapides 50% du march boursiervision artificielle, reconnaissance de la parole, crativit picturale et musicale, Classement automatique de documents , recommandationsCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatiqueLes exploits de lIntelligence Artificielle


*il peut se substituer la Vie: Vie Artificielle (VA):robotique animalejeux de la viesimulations biologiques, morphogenses des plantes et organismesalgorithmes gntiquesrseaux de neurones il peut se substituer la Nature: Ralit Virtuellejeux interactifs (3D), simulateurs de vol,Simulateurs de systmes complexesCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Tous ces artefacts sont-ils rellement vivants ?Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Au fait, quest-ce linformatique?*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Les deux facettes de linformatique*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Objectifs du coursVous initier aux fondements et aux dveloppements rcents de linformatiqueContribuer faire de vous des utilisateurs de linformatique plus avertisVous sensibiliser limpact de linformatique sur lentreprise et sur lconomieVous permettre de dialoguer plus efficacement avec des informaticiensVous familiariser avec la dmarche algorithmique et la programmation, outils vitaux de lconomiste*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Philosophie du coursChoix dun enseignement transversal qui balaie plutt que napprofonditAcquisition dune culture informatique attaquant les diffrents niveaux informatique, mais en superficieLe cours passe en revue le codage binaire, le microprocesseur, les mmoires, les I/O, les OS, les bases de donnes (DB), les rseaux.*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Organisation du cours thorique

Matriel: Organisation et fonctionnement intimeCodage de linformation: le binaireTraitement de linformation: processeur et instructions lmentairesLes mmoiresLes priphriques et les entres-sortiesLogicielsLe systmes dexploitationLes bases de donnes relationnellesLogiciels commerciaux et logiciels dentrepriseRseaux

*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Des lectures complmentaires sont obligatoiresCe cours crit ne se suffit pas lui-mme !!Les transparents soulignent les principaux lments de la matire.Lavantage cest la flexibilit et ladaptabilit, capitales en informatique, le dsavantage cest la rudesse de la prsentationUn transparent est un support une prsentation orale, ou la consquence dun stabilo bossA vous de compenser par des lectures additionnelles (le Web en regorge).Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Rfrences



*I. Codage et traitement de linformation: le binaireCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Fonctionnement intime de lordinateurEntresSortiesStockagedeLinformationTraitementdeLinformationTransmissiondeLinformationrechercheefficace,parmatchingcalculerraisonnertransformerPROGRAMMESmanipulerStructure et Fonctions Premires de LOrdinateur*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*La Partie Intelligente de lOrdinateur: Le ProgrammeDo son organisation Hardwareentres:claviersourisscannersvoix

Sortiescranimprimantesons

MmoiresCPUALUPROGRAMMESCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Labstraction suprme dun ordinateur = la machine de Turing: tout ordinateur peut se ramener cela.0111010101mmoire= bande1ControlUnitLire et criretat internea,b,c,d,...Etat courantlu surla bandecrit surla bande bougegau/droiNouveltatab1000gdcaLe

ProgrammeCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Alan Turing (1912-1954)Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Le binaire: en stockage et en traitementPourquoi: le courant passe ou passe pas, idem pour la lumire et le magntisme. Cest plus robuste et rsiste beaucoup mieux aux perturbations. Plus simple et plus conomique raliser. Les transistors (composants fondamental des microprocesseurs -100000000 sur une puce) font office dinterrupteur + amplification du signal (utile quand ils sont en srie)Circuiterie lectronique = circuiterie logiqueCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Les circuits lectroniques sont des implmentations matrielles des fonctions logiques (boolennes)Utilisation de la logique boolenne (binaire) pour le traitement calculatoire, logique ou symbolique de linformationStockage des donnes binaire permanent: magntique, optique - ou volatile: lectroniqueToute information est stocke en binaire: nombres, lettres, son, image,.. Toute information est traite en binaire.



Le TransistorChaque lment doit pouvoir raliser 3 fonctionsAmplifier le courant (utile sils sont en srie)Bloquer le courantInverser le courantIdalement, il faut un lment capable de raliser ces oprations le plus vite possible, si possible une vitesse proche de celle de la lumireCest exactement ce que fait le transistor*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Transistor = Inverseur ou interrupteur Principe de fonctionnementCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique*Si tension petite entre A et O, le transistor est bloqu comme en 1 et la tension entre BO = alimentation (bit A = 0, bit B = 1). Si tension grande entre A et O, le transistor est passant et la tension BO = 0 (bit A = 1, bit B = 0).12


TransistorA la base: le silicium (i.e. du sable), le plus abondant aprs loxygne et un semi-conducteur.

Sous forme de cristaux purs: parfaitement isolantMlangA du phosphore: libre des lectrons Cristaux de type NA du bore: capture des lectrons Cristaux de type PAssemblage de cristaux des 2 types Courant circule volontiers de N vers P, mais pas dans lautre sensDiffrentes combinaisons possibles des deux types fournissent les diffrents types de transistors*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


TransistorExemple de transistor: MOS (Mtal et Oxyde de Silicium)Catgorie des FET (Field-Effect Transistors)2 Zones de type N: Source et DrainSpares et poses la surface dun substrat de type PRecouverts dune mince couche isolante doxyde de siliciumSurmonts dune mince grille mtallique (e.g. aluminium)*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


TransistorExemple de transistor: MOS (Mtal et Oxyde de Silicium)Si on applique une charge ngative la source, il ne se passe rien (courant ne circule pas du substrat P vers le drain N)Par contre si on applique en mme temps une tension positive la grille, champ lectrique se cre qui attire les lectrons du substrat et cre un canal N qui permet la charge de la source daffluer vers le drainSitt quon enlve la tension de la grille, les lectrons refluent dans le substrat, et le courant cesse de circuler*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


TransistorExemple de transistor: MOS (Mtal et Oxyde de Silicium)Cest donc bien un interrupteur de courant entre la source et le drain, command par le courant appliqu la grilleEn loccurrence, cest un interrupteur rapide, miniaturis, et qui consomme trs peu dnergie*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Transistors et circuiterieUn processeur moderne, cest un ensemble intgr (une puce de quelques centimtres carrs) qui contient des centaines de millions de transistorsAu lieu de les produire sparment et de les assembler sur un circuit imprim (cf. les annes 1950), on les grave dsormais au sein dune seule galette (wafer) de siliciumLa gravure repose sur des procds industriels dune extrme prcision (on grave la dizaine de nanomtre prs) et sur des matriaux dune extrme puret*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Transistors et circuiteriePlus finement on grave, plus on peut mettre de transistors sur une mme puceaugmente la capacit de traitementet rduit le dlai de transmission entre deux transistorsMaison augmente aussi la complexit et le cot de la gravure, on atteint peu peu les limites quantiques (en gravant trop finement, les lectrons finissent par sauter par effet de tunnel, provoquant des dysfonctionnements), et les puces dgagent de plus en plus de chaleurNanmoins, jusqu ce jour, la loi de Moore se vrifieTous les 18 mois, la densit des transistors sur une puce doubleEntre les annes 1970 et 2000 : 20000 fois plus de transistors*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Transistors et circuiterieTraitement de linformation binaireMis en srie ou en parallle, les transistors peuvent raliser des fonctions boolennes lmentaires comme le AND, le NOR, le XOR,Circuiterie lectronique = circuiterie logiqueLes circuits sont des implmentations matrielles des fonctions logiques (boolennes)Utilisation de la logique boolenne (binaire) pour le traitement calculatoire, logique ou symbolique de linformation*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Transistors et circuiterieMise en srie de 2 transistors (fonction logique: AND)

Mise en parallle de 2 transistors (fonction logique: OR)*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Reprsentation de la logique binaire*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Transistors et circuiterie Mmoire Le bistable (flip-flop) = un lment de mmoire deux tats stables.Mis en boucle, les transistors peuvent piger la valeur dun signal lectrique un instant donn et cette valeur restera stable on aura mmoris cette valeur. Cest la mmoire lectronique (RAM)En fait, cest deux portes NOR mises en parallle et boucles sur elles-mmes (sortie de Na = entre de Nb et inversement)

SRNaNb*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Mmoire dun bit principeCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique*A = 1, B = 0 est stableA = 0, B = 1 est stableSi A = 1, les deux portes ousont neutres. Mais si X = 1, A passe 0 et y reste. Et si Y = 1, A passe 1 et y reste.Ce circuit mmorise une valeur 0 ou 1 et, en activant lentre X oulentre Y, on change la valeur mmorise.


Transistors et circuiterieUn registre 4 bistables (= une mmoire de 4 bits)Registre 4 bistables*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Transistors et circuiterieLe transistor peut aussi effectuer des oprations arithmtiques (un XOR pour laddition dun bit, un AND pour la retenue, et un tage par degr additionner)*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Transistors et circuiteriePar leur fonctionnement propre, les transistors en srie r-amplifient le signal quils reoiventEn changeant le potentiel en entre, on change le potentiel en sortie. Le temps de changement est infrieur la nanoseconde mais il explique pourquoi tous les circuits logiques ont un temps de rponseLes mmes briques lectroniques permettent donc de: raisonner, calculer, mmoriser,...Recherche en cours: interrupteur plus rapide : Les nanotubes de carbone: plus petit, moins consommateurTransistors optiques: 100000 fois plus rapide. *Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*INFORMATIQUE =Information + Traitement de cette InformationBinaire 8 = 1000 9 = 10018+9 1000+ 1001 ----- 10001Le sens dun bit dpendra de son contexte dutilisationDo la ncessit dtablir des standardsCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Information Binarise: Ecriture,Nombres, Images, SonsLa valeur dun mot binaire dpend du contexte dutilisation: mot, images, sons,...On vise la standardisationEcriture = Du Code ASCII jusqu l UTF-8Sur 7 bits --> 128 caractres, Sur 8 bits --> 256 caractres, par ex. a = 1100001Equivalence Bytes (8 bits) --> Texte1.4 MBytes = 500 pages (1 page = 3000 char)UNICODE (16 bits ou 32 bits) pour tendre les caractreslatin-1, latin-2, UTF-32, UTF-8 (le standard actuel)Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Extrait d'une table de conversion ASCII Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Feuil1

Aa0

659748

659748A01000001a01100001000110000

669849B01000010b01100010100110001

679950C01000011c01100011200110010

6810051D01000100d01100100300110011

6910152E01000101e01100101400110100

7010253F01000110f01100110500110101

7110354G01000111g01100111600110110

7210455H01001000h01101000700110111

7310556I01001001i01101001800111000

7410657J01001010j01101010900111001

75107K01001011k01101011

76108L01001100l01101100

77109M01001101m01101101

78110N01001110n01101110

79111O01001111o01101111

80112P01010000p01110000

81113Q01010001q01110001

82114R01010010r01110010

83115S01010011s01110011

84116T01010100t01110100

85117U01010101u01110101

86118V01010110v01110110

87119W01010111w01110111

88120X01011000x01111000

89121Y01011001y01111001

90122Z01011010z01111010

CaractreCode binaireCaractreCode binaireCaractreCode binaire

000110000

100110001A01000001a01100001

200110010B01000010b01100010

300110011C01000011c01100011

400110100D01000100d01100100

500110101E01000101e01100101

600110110F01000110f01100110

700110111G01000111g01100111

800111000H01001000h01101000

900111001I01001001i01101001

J01001010j01101010

K01001011k01101011

L01001100l01101100

M01001101m01101101

N01001110n01101110

O01001111o01101111

P01010000p01110000

Q01010001q01110001

R01010010r01110010

S01010011s01110011

T01010100t01110100

U01010101u01110101

V01010110v01110110

W01010111w01110111

X01011000x01111000

Y01011001y01111001

Z01011010z01111010

Feuil2

Feuil3

Codage binaire: les nombres entiersLa cl: comment interprter les bits?Supposons des chiffres entiers non signs cods sur 8 bits

Exemples:00000000 = 000000001 = 110000000 = 12801010101 = 85 = 0x128+1x64+0x32+1x16+0x8+1x4+0x2+1x111111111 = 255 = 1x128+1x64+1x32+1x16+1x8+1x4+1x2+1x1*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique

Position87654321Signific.2726252423222120Valeur1286432168421


Trouvez la valeur en base 2 de 11Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique*Le rsultat est : 1011


les nombres entiersCodage binaire des nombresEntiers non-signs:Sur 8 bits:De 0 255 = 256 valeurs en tout (28)Sur 16 bits:De 0 65535 = de 0 216-1Sur 32 voire 64 bits?Quel est le plus grand entier cod sur 32 bits?232-1 = 4.294.967.295Et sur 64 bits?264-1*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Codage binaire: les nombres entiersArithmtique lmentaire: laddition dentiers non signs (ici cods sur 8 bits) 8 = 00001000+ 9 = 00001001----------------= 17 = 00010001



les nombres entiers ngatifsCodage binaire des nombresEntiers signs: notation dite en 2complementLe premier bit informe sur le signe et est appel: le bit le plus significatifPour les nombres positifs: part le premier bit 0, cela ne change rienPour les nombres ngatifs:Prendre la notation binaire de la valeur absolueInverser chaque bitAjouter la valeur 1 au rsultatExemple sur 4 bits: 3 = 0011 -3 = 1100 + 0001 = 1101Lespace codable est compris entre -2n-1 et 2n-1 1 o n reprsente le nombre de bits.la notation en 2s complement permet de navoir quun seul zro et de traiter laddition de nombres ngatifs et positifs de la mme manire*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique



NombreBinaire-81000-71001-61010-51011-41100-31101-21110-11111 00000+10001+20010+30011+40100+50101+60110+70111


*Nombres entiers: arithmtique lmentaireTravaillons avec 4 bits en 2complement 0011 (3) 0011(3)+ 0010 (2) + 1110(-2) 0101 0001 = 0001 (on se dbarrasse du dernier bit) 1010 + 1100 0110 (impossible, overflow car le bit significatif est diffrent des deux nombres ---> dtection automatique des overflows)Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*multiplication additions

00011 (3) * 00011 (3) 00011 00011 00000 00000 00000 000001001ADD et SHIFTCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Codage et calcul de nombres virgule flottante (floating-point)

64 bits

En gnral, les nombres sont reprsents aprs la virgule: 1.32 107. Donc, le 1 est par dfaut. Lexposant est compris entre -1022 et 1023 (on le trouve en supprimant 1023). La mantisse contient 52 chiffres aprs la virgule (1,). signeexposantmantisse11152Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique*Trouver le nombre virgule reprsent par le mot1100010001101001001111000011100000000000000000000000000000000000Le signe est reprsent par 1.Lexposant est reprsent par 10001000110. La mantisse est reprsente par1001001111000011100000000000 000000000000000000000000.Le signe du nombre est donc -. Le nombre 100 0100 0110 est gal 1 094 etlexposant du nombre est n = 1094 - 1023 = 71.


Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique*m = 1.1001 0011 1100 0011 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000= 1 + 1/2 + 1/24 + 1/27 + 1/28 + 1/29 + 1/210 + 1/215 + 1/216 + 1/217= (217 + 216 + 213 + 210 + 29 + 28 + 27 + 22 + 2 + 1) / 217= 206727/131072.Le nombre reprsent est donc -206 727 / 131 072 271 = -3.724 1021.


*il existe maintenant des ANSI/IEEE standards pour ces reprsentations et oprations des virgules flottantes. Tous les processeurs les traitent de la mme faon.les additions et soustraction sont plus compliques que les multiplications car il faut aligner les nombres (SHIFT) puis renormaliser le rsultat. Pour la multiplication, il suffit de faire un shift final.il y a un grand nombre doprations arithmtiques qui portent et sur lexposant et sur la mantisse.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*ImagesVersion BitMapphotos, peintures, vido, scannerchaque pixel est encod: niveau de gris ou couleurle format (.gif): dcomposition en blocs,taille,palette de couleur, rsolution.Le format (.jpeg): des blocs de 64 pixels cods frquentiellementVersion PostScriptlinformation gomtrique (segments, courbes dfinis mathmatiquement) et les positions relatives --> information sur limage ---> codage conomique.Facile a redimensionnerlimprimante ou lcran peuvent convertir le ps en bitmap.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Codage binaire: sonsPour numriser du son enregistr par micro ou cr par un instrument acoustique ou lectriqueOn dcoupe le son en chantillons de temps et on code chaque chantillon sur un certain nombre de bits Analog to Digital Converter (ADC)Frquence dchantillonnage: nombre dunits de sons (chantillons) codes par secondeEx. CD: 44,1 kHz (44100 chantillons / seconde)Rem: Seuil audible pour loreille humaine: +/- 20 kHz, mais il faut chantillonner 2 fois plus vite que la frquence du son pour la capturerNombre de bits par chantillonEx. CD: 16 bitsNombre de canaux: mono (1) v. stro (2)Pour rejouer le son, il faut un Digital to Analog Converter (DAC) 1 minute denregistrement en stro et qualit CD:= 2 * 16 * 44100 * 60 = 84,672,000 bits = 10,584,000 bytes 10Mb / min.*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Regroupement et compression des donnesCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Comprimer linformation (zip,Jpeg, MP3,..)Les mcanismes de compression perdent ou non de linformation: quand ils nen perdent pas, ils exploitent les redondances: une lettre ou un mot qui revient souvent dans un texte sera cod sur moins de bits. Dans une image, si plusieurs pixels sont gaux on indiquera seulement leur nombre. Ainsi le groupe ABBA pourrait scrire sur 4 bits: 0110 plutt que 32. Et le dessin :

quand ils en perdent, on parle de compaction, ils ne dgradent que quelque peu linformation: MP3, MPEG4, On supprime les frquences inaudibles, on diminue la rsolution de limage, .La compression est symmtrique, pas la compactionpourrait se coder: 5 1 10Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Corriger linformationCorriger les erreurs de transfert exige des bits additionnels. Par exemple 1001 deviendrait 111000000111.Chaque bit est rpt trois foisPossibilit plus conomique de dtecter les erreurs de transfert et de les corriger par laddition de bits de parit. Le plus simple est 1 bit (pair/impair) mais on peut recourir a plusieurs bits qui permettent alors la correction derreur. Soit un message de 16 bits.

Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique*

Colonne de contrle00110010101101101111Ligne de Contrle1100


*Encrypter linformation Notion de clef prive:N = 2 informatique deviendrait kphqtocvkswgEncryptage symtrique Problme: la cl circule !!! Clef publique, clef prive:Encryptage asymtriqueLe destinataire reoit la clef publique et encrypte le message que seul, vous, avec la clef prive pouvez dcrypter



*II. Fonctionnement intime du processeurCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Lordinateur excute des programmesUn programme = une squence dinstructions, gnralement crites dans un langage de programmation, puis automatiquement traduites en instructions lmentaires pour un processeur particulier.Le programme excute un algorithme contenant des instructions en squence ainsi que des boucles et des tests conditionnels. Une fois traduites en instructions lmentaires, PHO prend le relais.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Schma gnral de fonctionnement de la machine de Von Neuman:Le Petit Homme Ordinateur: PHOIl cherche ladresse de linstruction (indexe par le compteur)Il la lit et la dcodeIl lexcute (le cycle : fetch-execute)Il incrmente le compteurCest la conception de Von Neumann, toujours dactualit ---> Informatique Squentielle et Programme charg et stock en mmoire. Cela fonctionne de la mme manire depuis 50 ans et na pas pris une ride.Elle implique un CPU, ALU, mmoires et registres.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Von Neumann (1903-1957)Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*PHOCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*PHO loeuvreCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Le cycle fondamentalCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Les quatre classes dinstructions lmentaires sont:Dplacement de donnes:Mmoire MmoireRegistre MmoirePriphrique Mmoire Priphrique RegistreOprations Arithmtiques et Logiques:a + b ; z est-il gal 0 ?Oprations Conditionnelles et Branchement:Si x < 0 alors aller a linstruction 95Oprations dentre/sortie avec les priphriquesCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Lcriture des programmesAu tout dbut instructions lmentairesMais depuis, langages programmation de haut niveau (LPH) Java, C++, Python, Fortran, Cobol Une instruction en LPH plusieurs instructions lmentaires.c=a+b est plus simple que load a, reg1, load b, reg2, add reg3, reg1, reg2, move c, reg3.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Jeu dinstructions simplifiCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Du LPH au binaireCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Les diffrents types dinstructionCopie de A vers B: b = aCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Opration arithmtique: c = d + e x fCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Branchement et boucle: while z > 0 do LeBoulot Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Toute linformatique repose sur le principe de labstration fonctionnelleUn ordinateur fonctionne diffrent niveaux dabstraction. On peut travailler un niveau suprieur sans se soucier du niveau infrieur.

electroniqueassembleurJava/PythonlogiqueCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Une Instruction ElmentaireCodeSourceDestinationBranchementadresse absolueou indexeQuelleinstructionO trouver lopranteO trouverla prochaineinstructionCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


* Elments fondamentaux de larchitectureles registresMAR,MDR,IC,IR,les mmoiresRAM,DRAM,cache,virtuelle....les busIC--->MARMDR-->IRles bus pour I/O et les priphriquesCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Les Registresils contiennent les donnes actuellement manipuleslinstruction excute: IRles I/O adresses accderle compteur de programme: ICladresse mmoire: MAR, la donne mmoire: MDRle registre dtat du processeur informe sur la dernire opration et indique si elle a produit un zro, ou une retenue, ou le bit significatif du rsultat,...ils interviennent dans les instructions pour les donnes ou les adresses des oprantesils peuvent tre chargs,somms,permuts,translatsle transfert entre registre conditionne la vitesse du CPUCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Les mmoiresAvec un MAR de 32 bits, on peut aller jusque 232 (4 GigaBytes de mmoires principales) espace mmoires -> Aujourdhui 64 bits.le MDR = 1 Byte et il faut alors accder plusieurs bytes successivement, ou 2 ou 4 bytes.la mmoire principale est ROM (fusibles), SRAM (flip-flop) ou DRAM (condensateurs). La SRAM est plus chre et plus rapide que la DRAM ---> mmoire cache. Mais ncessite plus dnergie, plus de transistors (plus despace). SRAM et DRAM = mmoire volatile avec Access Random ( RAM = Random Access Memory).Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Les busils peuvent tre locaux et connecter des registres entre eux. Plus il y en a, plus dinformation pourront tre transmises simultanment, plus le CPU ira vite.ils peuvent galement connecter le CPU la mmoire et le CPU aux priphriquesEn gnral, les bus sont parallles au sein du CPU et sries pour connecter des priphriques plus distantsun bus contient un ensemble de lignes avec donnes, adresses ou information de contrle (par ex. le timing ou des informations read/write).Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Les instructions lmentaires4 grandes classes1. transfert ou mouvement de donnes: registres -> mmoire --> registres2. arithmtique et logique + translation ou permutation3. instruction de branchements4. entre/sortie Priphriquelinstruction comprend plusieurs champs: code et oprantes (1,2 ou 3) tenir sur 2,4 ou 6 bytes, do nat un problme dadressage.dans un processeur RISC, toutes les instructions sont de taille gale, souvent 32 bits. Pas du tout le cas pour les CISC jusqu 11 bytes (vax ou pentium).Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*RISC vs CISCCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


RISC vs. CISCIntel Pentium:Architecture gnrique baptise Intel Architecture 32 bits (IA32)Physiquement, ce sont des processeurs de type RISCMais ils doivent tre compatibles avec les logiciels crits pour les anciennes gnrations de processeurs Intel (x86)Ds lors le processeur (de type RISC) avec des instructions codes sur 32 bits simule un processeur CISC (i.e. traduit les instructions x86 en instructions IA32)Dernire gnration (Core i7) est une architecture 64 bits qui contient plusieurs jeux dinstructions (x86, MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, x86-64, SSE4)*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Ladressage direct ou indirectPour rduire lespace utilis ladressage, on peut utiliser, via des registres, des adressages indirects ou indexs.Cela permet des adresses plus courtes et est tout fait en phase avec la logique de programmation qui fonctionne modulairement, avec des variables locales, boucle, matrice ou pointeur.On peut adresser des registres, ou partir doffset,...les instructions lmentaires font vraiment la diffrence entre les types de processeur.Diffrences fondamentales entre CISC et RISCLe RISC doit adresser beaucoup plus partir des registres pour maintenir des adressages cours et donc des petites instructionsCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Diffrents systmes dadressageCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Fonctionnement du processeurLes registres:A chaque registre correspond une utilisation spcifique.Tout le fonctionnement de lordinateur se ramne des transferts de registresCest cette vitesse de transfert que lon qualifie avec les fameux GHz indiquant la vitesse du processeur.Un transfert de registres est une tape atomiqueLe droulement dune instruction lmentaire comprend plusieurs tapes atomiques.Combien dtapes atomiques peut-on excuter en 1 seconde GHz = 1000000000



*Le schma fondamentalCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Droulement des instructions lmentairesSoit:Premire phase: le chargement:

Seconde phase: lexcution:



*Paralllisme entre tapes atomiquesMais il est important de maintenir une indpendancelogique entre les instructions se suivant dans la squence.

PipelineCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Squenceur: la succession des tapes atomiquesSquenceur cbl:

Squenceur microprogramm :



*Les instructions sont cadences (ou squence) par une horloge lectronique le temps dexcution dun programme sera dpendant du nbre dinstructions, nbre dtapes par instruction et la dure dune tapela dure minimale dune tape est la dure requise pour un transfert entre deux registres GHz



*Le pipeline: premier paralllisme

Limites du pipelineOK: c= a+b puis f=d+e Pas OK: c=a*b puis f=c+d problmes: 1. dpendances entre instructions (le load de la deuxime est le store de la premire - 2. instruction de branchement (la suivante nest pas la suivante).rsolu: soit la compilation, soit en crant des retards, soit en utilisant plusieurs lignes de pipeline, soit en r-ordonnant les instructions.Pentium: 20 tages de pipeline



*Du superscalaire l'informatique distribue Superscalaireexcute plusieurs instructions simultanmentpossde plusieurs CPUdivise les instructions en 3 classes: entier, virgule flottante et branchement, et aiguille chaque type vers un CPU ddile powerPC 601: 3 CPU, 1 pour les entiers avec 1 pipeline 4 tapes, 1 pour les virgules flottantes avec 1 pipeline 5 tapes et 1 pour les branchements.Systmes multi-processeurs, chacun excutant simultanment la mme partie du programme ou des parties trs spares.Grid computingCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Amliorations courantes et constantesacclration du CPU, cependant:la vitesse de lordinateur ne dpend pas que de la frquence de lhorloge mais galement de la dure des accs RAM ou accs I/Obus plus larges: 64 bitsmmoire RAM tendue ---> mmoire virtuelleaccs mmoire acclr: cacheaccs disque acclrprocesseurs en parallle.grid computing: the computer is the network, cloud computingparalllisation croissante: cloud, informatique quantique ou biologiqueCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*III. Les mmoires centralesCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Caractristiques des mmoires centralescapacit: dpend de la taille du MAR. Soit un MAR de 32 bits ---> 232 x (la taille du MDR) aujourdhui 64 bits.le CPU envoie un REQUEST et indique la nature de linteraction R/W. Une fois les donnes transmises, la mmoire envoie un COMPLETEla qualit des mmoires est fonction des temps daccs aux donnes (latency) et des dures de transmission de ces donnes (bandwith ou bande passante).cela induit une hirarchie des mmoires, des plus rapides aux plus lentes: registre --> cache --> principale --> disque --> bande. Les plus rapides tant les plus chres. Les passages dun niveau lautre sont invisibles lutilisateur.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*mmoire RAM: accs random, pourquoi ??le dcodage dadresse: n --> 2n exige toute une circuiterie logique lourde et coteuse.pour simplifier ces circuits, le dcodage est souvent fait en srie: on slectionne une fois, puis on re-slectionne dans la partie juste slectionne.les DRAM sont moins chers, moins lourds en lectronique, mais plus lent, et exigent laddition dopration de rafrachissement trs frquente. Le timing doit donc inclure des priodes de rafrachissement mmoire principale et non la cache.la mmoire principale peut tre structure en diffrents modules de mmoires avec des adressages adapts.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Des progrs constant dans lacclration des mmoires qui accompagnent lacclration des CPUAujourdhui aux deux mmoires classiques SRAM (cache) et DRAM se rajoutent des mmoires SDRAM qui fonctionnent 100MHz, les RDRAM, les VRAM, WRAM, SGRAM, etc.Intel vers les DRDRAM 1,6 Go/s.Les capacits des mmoires RAM voluent de manire spectaculaire. Les PC daujourdhui disposent de mmoire RAM de centaines de Giga, laccs presque synchronis sur le fonctionnement du processeur.La plus loigne, la plus permanente, la plus grosse et la moins chre.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Fonctionnement de la mmoire centrale ou RAMCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Le dcodeur dadresse: une sacr circuiterieCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*que lon peut simplifier par des mmoires bidimensionnellesCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Mmoires secondaires et darchivagemmoires secondaires: permanentes et accs direct: disque dur.mmoires darchivage: permanentes, trs loignes physiquement et accs plus indirect comme squentiel: bandes magntiques.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Vue densemble de la mmoire* DRAM et ses drives: SDRAM, DDR SDRAM, etc.TailleVitesse et prix*Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Les niveaux hirarchiques: mmoire cache et mmoire virtuelle

Deux niveaux de mmoire, une rapide transfrant haute frquence peu de donnes, lautre plus lente transfrant moins frquemment beaucoup de donnes.Le principe de localit rend cela efficace. Un programme sexcute localement en mmoire (boucle, matrice, routine,...). Cest un principe tant spatial (on reste dans la mme zone mmoire) que temporel (on reste avec les mmes variables)Mmoire lente petitequantitgrossequantitCPUMmoire rapideCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Le premier niveau contient des blocs de mots situs conscutivement dans le deuxime niveau (les blocs deviennent des pages dans le cas de la mmoire virtuelle)Des transferts de blocs seffectuent entre les 2 niveaux.Le CPU sadresse toujours au premier niveau qui fait appel au deuxime quand il ne peut satisfaire la demandeLe deuxime niveau a un temps de latence et un temps de transfert plus longQuand le disque dur est le deuxime niveau (mmoire virtuelle), ladresse des donnes est longue: le disque, la surface, la piste, le bloc.Une adresse se compose maintenant du numro de bloc et de ladresse du mot dans le bloc: bloc motCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Dcomposition de ladresseCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique

327681638481924096204810245122561286432168421Adressage en continu0010100000001010BinaireAdresse 10250280AHexadcimal

12864321684211286432168421Adressage en blocs de 256 octets0010100000001010Bloc 40Adresse 10280AHexadcimal

8421204810245122561286432168421Adressage en blocs de 4096 octets0010100000001010Bloc 2Adresse 2058280AHexadcimal


*Cest partir de la partie numero du blocquon peut dire si ladresse concerne une information contenue dans le premier niveau de mmoire ou dans le deuxime.Les blocs de la mmoire RAM et cache sont les pages de la mmoire virtuelle, mais le principe reste le mme.Une table intermdiaire vrifie si le bloc ou la page sont dans le premier niveau. Si ce nest pas le cas, ladresse est redirige vers le 2me niveau. Linformation est transfre ainsi que tout un bloc dinformations voisines et la table de redirection est mise jour.Il faut choisir qui remplacer par les nouveaux venus dans la mmoire rapide, en fonction de la dure de sjour, frquence ou rcence dutilisation.Il faut rapartier les donnes remplaces dans la mmoire lente si celles-ci ont t modifies durant leur sjour dans la mmoire rapide.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Le nombre dappels rats au premier niveau doit tre petit par rapport aux succs.Pour la cache, le premier niveau fonctionne la mme vitesse que le processeur, le deuxime niveau 10x plus lentement, le disque 1000000x plus lentement.Pour la mmoire virtuelle, quand on fait appel au disque, le CPU peut faire autre chose et soccuper dun autre process, pour la cache le CPU attend le transfert du bloc.Un bon taux de rat pour la cache est 1-2 % et pour la mmoire virtuelle 0.001%Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*La mmoire virtuelleLe principe est dutiliser le niveau secondaire, dans ce cas-ci le disque dur, pour tendre la capacit de la mmoire principaleTrs utile pour les machines multi-task et pour les serveurs. Chaque tche peut utiliser la mmoire principale comme si elle tait seule. Lillusion est parfaite, do lexpression de mmoire virtuelle.Noubliez pas que les RAM aujourdhui classiques sont de plusieurs giga et que nombre dapplications (dont lOS) ncessitent autant sinon plus despace mmoire. La mmoire RAM reste coteuse. La table intermdiaire est un MMU (Memory Management Unit) entre le CPU et la mmoire principale, pour traduire toute adresse logique en une adresse physique (soit dans la RAM soit sur le disque)Une partie du disque dur est alors partitionne en pages (la partie swap).



*Pourquoi la mmoire virtuelle:Taille de la mmoire insuffisanteParties des programmes temporairement superfluesMultiplication des programmes prsents simultanmentVariations et fractionnement de lespace mmoire disponible. Les avantages sont: 1. adressage simplifi, relatif au programme, 2. espace mmoire tendu sans augmenter en RAM coteux, 3. contrle des adressages dans des espaces rservs au systme, pour des raisons de protection, on peut facilement sparer les espaces mmoires rservs diffrents process.



*Une page = 512 bytes 8Kbytes (dans la figure 4096 bytes)La MMU transforme les adresses logiques en adresse physique, en transformant ladresse de la page logique en une adresse physique et par concatnation de cette adresse avec ladresse du mot spcifique. En gnral, il y aura un MMU par programme.Si ladresse logique de la page nest pas dans la table, cest un rat, le CPU doit sinterrompre (ou changer de tche) et il faut aller chercher la page sur le disque dur pour la charger dans la mmoire principale.comme pour le bloc dans la cache, la page remplacer dans la RAM sera la moins utilise ou la moins rcemment utiliseNormalement, la mmoire virtuelle doit tre explore avant la mmoire cache. Cela peut tre long et on utilise alors un TLB (Translation lookaside buffer), une petite cache qui contient les pages les plus rcentes. Si la page est trouve on cherche ladresse physique en mmoire, sinon on va dans le MMU normal.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*La paginationCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Fragmentation des programmes en pagesCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Le TLB: petite mmoire associative dans la cachePour trs vite savoir si la page se trouve en RAM ou sur le disque durMmoire associative car les pages ne sont plus dans une squence logique et qui doit fonctionner trs rapidement.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*La mmoire cacheLe programme ne sait pas si la donne recherche sera prise dans la cache ou dans le deuxime niveau.Les adresses sont dcoupes en trois parties: tag, bloc, octet.Une fonction dassociation dtermine o se situe le bloc. La mthode la plus simple est la cache associative o la tag table. On utilise un adressage en parallle pour faire vite (la cache doit tre rapide). Soit par exemple un bloc de 16 bytes et une cache de 256 blocs ou lignes dans la figure.Le deuxime niveau est mis jour si linformation a t altre quand on remplace dans le premier niveau un bloc par un autreSouvent on remplace le bloc dont lutilisation remonte le plus loin dans le temps.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Fonctionnement de la cacheCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Accs la mmoire dans sa globalit Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*La gestion complte de la mmoire peut tre trs complexeDun accs rapide la cache un accs trs lent sur le disque dur avec remplacement sur le disque des pages prsentes dans la RAM.Dans les Pentium, on spare la cache instruction de la cache donnes car les instructions sont structures diffremment des donnes en mmoire.Pour optimiser la mmoire, on peut jouer sur beaucoup de paramtres: la taille des blocs, la vitesse de transfert,...On essaie dacclrer les mmoires et surtout le disque dur qui est trs lent.Les accroissements mmoires sont plus importants que les acclrations CPU.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Interconnexions dans lunit centraleRegrouper les liaisons dans des busBus multiples ou bus unique.Tenter de rduire le nombre de lignes (multiplexage)Bus parallles ou bus sries.Bus unique Mais problmes de vitesse ds aux composants lents Bus multiples



*Jeu de composants ou chipsetBus distinctsPoints de jonctionNorth et south bridgeNorth bridge: bus trs rapideSouth bridge: les priphriques.La carte mre est le squelette de lordinateur: dans laquelle on installe les composants.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*IV. Entres/Sorties et PriphriquesCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Priphriques - GnralitsSans ses priphriques, les effets du CPU sont inaccessibles. Lordinateur interagit avec nous via ses priphriques. Il faut organiser les interactions du CPU avec ses priphriques (les I/0). Ces interactions se caractrisent par plusieurs aspects:les interactions peuvent tre sous le contrle du CPU ou asynchrones (se produire indpendamment du droulement normal du CPU - comme les interruptions)il y a plusieurs priphriques avec lequel le CPU interagit et il faut pouvoir les diffrentier et organiser ventuellement des communications simultanes.Les priphriques fonctionnent avec des dbits de donnes et des contraintes internes extrmement diffrent; ceci exige que chaque priphrique saccompagne de son contrleur pour sinterfacer au CPU (qui voit alors tous les priphriques de manire semblable)Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Il est important que le CPU ne diffrencie pas les priphriques entre eux et que les pilotes et contrleurs de chacun des priphriques se chargent de cette diffrentiation. Cela simplifie grandement le design du CPU.Les priphriques sont de plus en plus intelligents et prennent de plus en plus linitiative dans leur interaction avec le processeur.Le pilote et le contrleur se chargent de grer ces adresses physiques, de structurer les donnes (par ex. assembler les bits en bytes), de synchroniser la communication, de raliser les interruptions et de corriger les erreurs de transferts.Les bus I/O et le bus de transferts de donnes peuvent tre spars ou communs jusqu un certain point. Un bus commun de type PCI se retrouve, mais ce sont les bus USB qui tentent standardiser et unifier la connexion aux priphriques.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*LES

PERIPHERIQUE SCPUI/OregistredonnesI/OregistreadressespiloteI/OpiloteI/O

Clavier0.03Souris0.02Voix0.02Scanner200Imprimante0.5matricielleCD153DVD4500Disque Dur150000Priph.TransfertKB/secCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Les mmoires de masse: disque dur magntique 10000 t/m 1 micron spare disque et tte bras lent dizaine de Gbyte densit dcriture variable Un exemple: 1024 pistes, 64 secteurs. Un bloc = 512 Kbytes. encodage par magntisation le disque est fourni format.



Disques lectroniques (SSD)Rien dun disqueConnect pareil leur collgue magntique: SATA ou IDEEncodage des bits en mmoire flashSabme assez rapidementConsommation moindre, plus rapidePlus silencieux-> Solutions hybrides.Plus chers et moindre en capacit de stockage Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique*


*Disques optiques 1 mm spare la tte du disque spirale plutt que piste la vitesse sadapte 74 mn pour la spirale de 6km moins rapide que le disque dur moins encombrant R ou RW les bits sont cods par la prsence de rflecteurs ou de bosses qui dispersent la lumire.Aujourdhui Blu-ray (100Go)



Mmoire flash:Principe: Mmoire lectronique de type EEPROM (transistors MOS), fonctionne comme la mmoire vive mais est prserve, mme sans alimentation. Consomme trs peu de courant, trs rsistante aux chocsSupports courants:Sticks (Cls) USBCartes SD (appareils photos, PDA, etc.)Disques durs SSD (Solid State Drive) Moins volumineux, moins bruyant, moins consommateur mais beaucoup plus rapides que les disques magntiquesCartes puces:Mmoires de taille limite mais crypte et rsistante aux chocs*Mmoires lectroniques non volatilesCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Le clavier toucheQuand une touche est presse (variation de rsistance), un signal est envoy au contrleur du clavier. Encodage spatial.Le signal est traduit en ascii et envoy (sur un bus sriel) au CPU.Un diffrent traitement est appliqu pour les touches modificatrices dont le code est enregistr en mmoire afin dtre trait avec la touche successive.



*LcranEcran cathodiqueEcran platCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Les crans (les moniteurs)il est ncessaire davoir un bon contrleur du vido, la carte graphique qui traduit linformation digitale en analogiquela dimension = la diagonale 15 ou 17 pouces, la frquence de rafrachissement - 80 Hz (80 crans / sec.)les principes des moniteurs semblables a lcran tl mais perce rcente des crans plats (ou cristaux liquides)les signaux digitaux envoys par le CPU contiennent des informations de couleur sur les pixels et des informations de dflexion horizontale et verticale quil faut synchroniser avec le balayage dcran.les crans classiques, trois pastilles de couleur (RVB) reoivent 3 faisceaux dlectron et mettent une brillance proportionnelle lintensit du faisceau dlectron.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*la rsolution est galement importante: le nombre de pixels qui constituent limage sur lcran. Typiquement 768 lignes de 1024 pixels.sil y avait une large possibilit de couleur, cela crerait une pression trop forte sur les transferts de donnes entre le CPU et le moniteur. Do des choix restreint --> 256 couleurs (1 byte).limage est transfre en binaire, du CPU dans la mmoire interne du moniteur. Cette mmoire est ensuite balaye et chaque pixel, linformation est transforme en analogique pour dterminer les intensits des faisceaux dlectron et la dflexion du faisceau.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*LimprimanteCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Raccordement des priphriquesUn domaine en constante volution et tendant luniformisation -> USB.Port: relie un seul priphrique au travers dune interface spcialise: port clavier, port PCI, port GPU (pour laffichage), port parallle, port LAN, port SATA.Bus: PCI, USB, IEEE 1394Contrleur: assure le dialogue entre le priphrique et le CPU. Cest un microprocesseur. IDE ou SCSI pour les disques durs:



*Les priphriques en actionCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Le mcanisme des interruptionsLes interruptionsinterrompent le cours normal du programme et donc sortent du contrle du CPU.Elles permettent plus de flexibilit.elles peuvent provenir du clavier, dun I/O qui signale quil a fini, dun vnement extrieur inattendu (panne de courant,..), dun programme, ou permettre le multitasking (allouer du temps CPU a diffrentes tches).le CPU est connect plusieurs lignes dinterruption IRQ1 - IRQ15.le priphrique qui demande linterruption: clavier ou fin de I/O doit sidentifier auprs du CPU, ainsi que la nature du service demand par le priphrique. Ce service est une routine spcifique qui prendra possession du CPU. Cette identification peut se faire simplement via la ligne ou par un code pr-dfinit.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*toute linformation concernant ltat actuel du programme est sauve sur un stack et les registres. Ensuite, la premire instruction du service dinterruption est charge dans lIR. Quand la routine est termine, elle peut soit rendre le contrle au programme ou modifier compltement le cours des choses (par exemple, une interruption dimprimante pour dire quelle est sans papier)une interruption dun vnement anormal peut venir de lextrieur (panne) ou tre gnrer par le CPU lui-mme (divis par 0)les interruptions peuvent simbriquer exigeant alors un ordre hirarchique de leur priorit. Une plus haute priorit pourra interrompre une plus basse priorit. Une panne a une haute priorit, le clavier une moyenne, une fin dI/O une basse.les interruptions peuvent tre dsactives (masques)Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Droulement du traitement dune interruption:On reoit un vecteur dinterruption (informant sur sa nature)A partir de cette information, on cherche le programme de gestion de cette interruptionOn sauve ltat actuel du programme: le registre dtat (flags), le contenu du segment de code et surtout le contenu du PCOn charge le PC avec ladresse du programme de gestion de linterruptionA la suite de ce programme, on restaure tout ce que lon avait sauv prcdemment.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Do proviennent les interruptionsCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Transfert de donnes et DMALes DMA (Direct Memory Transfer)ncessaires pour transfrer des blocs de donnes, rapidement.Sur les PC, il existe 8 canaux DMAon court-circuite le CPU. Il peut donc soccuper dautres process.le transfert se fait sous le contrle du contrleur du priphriqueil est initi par une interruption, puis le CPU disparat de la circulation.la fin du transfert est signal par une interruptionle CPU peut faire autre chose (utile pour le multitasking ou le multiusers)le contrleur I/O doit connatre ladresse au niveau du priphrique et de la mmoire, la quantit de donnes transfrer et sil sagit dune lecture ou criture.possibilit de dtecter les erreurs de transfert et de les corriger par laddition de bits de parit. Le plus simple est 1 bit (pair/impair) mais on peut recourir a plusieurs bits qui permettent alors la correction derreur.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Le futur des interfacesCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique*


De nouvelles modalits sensoriellesAujourdhui surtout le toucher mais pas les oreilles et le yeux.Reconnaissance vocale, 98% de qualit, sans bruit de fond et pour un locuteur unique. Parfait, lorsque les mains sont occupes. Pav tactile (le doigt cre une conductance lectrique)cran tactile (cran ultrason ou infrarouge). Extension au multi-doigts.Acclromtre Reconnaissance gestuelle ralit virtuelleCommunication tlpathique



*Vue densemble de lordinateur: Carte mreProcesseurUSBSlot AGP (carte graphique)Slots PCI (carte son, rseau)Mmoire SDRAM (barrettes)Bus IDE (disque dur)Ports srie (COM)Pile (alimente lhorloge)Mmoire BIOS (paramtrise la carte)Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Vue densemble de lordinateurAlimentationCarte graphiqueCarte PCI (son, rseau, )Lecteur CD/DVDDisque durCarte mreVentilateur du CPUCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*V. Les logicielsCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Le systme dexploitation (OS) - gnralitsLa dfinition classique de lOS: les 3 fonctions1: prsenter une interface unifie pour les services les plus usits.2: grer les ressources de lordinateur (processeur, RAM, priphriques); assurer, le cas chant, leur partage entre un ensemble dutilisateurs et organiser leur rpartition entre les tches multiples assignes lordinateur3: assurer cet ensemble de services en prsentant aux utilisateurs (humains ou programmes) une interface mieux adapte leurs besoins que celle de la machine physique; cette interface est celle dune machine virtuelle qui fournit un ensemble de fonctions pour la gestion et la communication, et pour la ralisation de logiciel dapplication.Dabord: permettre une interface plus conviviale entre lutilisateur et le hardware: pour la gestion des fichiers, pour la gestion des I/O, pour lancer des programmes. Ceci tant de lextrieur dun programme qu lintrieur dun programme. Il sagit du langage de communication entre lordinateur et lutilisateur.



*ensuite: faire une gestion des ressources et du hardware de manire optimiser leur utilisation. Ceci est dautant plus capital que ces ressources sont soumises de multiples demandes: multitche, multiutilisateur, rseau, ....il y a beaucoup dOS et de philosophies dOS diffrents: UNIX, Linux, DOS, Android, WINDOWS 9X et NT, 2000, XP, VISTA, MAC-OS, Lopard (???),Cest lenjeu dune terrible bataille commerciale et stratgique car lOS est le matre de lordinateuril existe autre chose que Windows !!!!! Windows vs LinuxLUNIX (multi-utilisateurs, multi-tches) est lanctre vers lequel tout le monde retourne.lOS tourne toujours en arrire-plan pour reprendre la main quand un programme la laisse pour lexcution dun service.LOS est le premier programme qui se charge dans la RAM.Cest le booting de lordinateur.Les applications ne peuvent dialoguer quavec un OS donnCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


Logiciels libres (open source)Programmeurs = chercheurs, son code doit tre ouvert. Programmeurs = crateur de valeur concurrence confidentialit son code doit tre ferm.Situation paradoxale !!Linux est open source son code est disponible tous. Ainsi quApache, MySQL, Mozilla, Java, Android.Libre nest pas synonyme de gratuit !!!!Ainsi IBM senrichit considrablement au dpart de logiciels libres. Wikinomics = arme de collaboration massiveLe deuxime Web.Le Web = division du travailCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique*


*LOS est responsable du traitement des fichiers en rponse aux requtes de lutilisateur: copy, open, execute, move, ...LOS est responsable du traitement et la gestion des I/O en rponse aux requtes de lutilisateur: print, save, keyboard, modem, internet,...Il gre le dmarrage de lordinateur, et le bootstrapping - il doit se charger lui-mme. Charger lOS s'appelle le booting et sexcute partir du BIOS.Il permet lexcution apparemment simultane de plusieurs applications ou programmes et lutilisation apparemment simultane de plusieurs utilisateurs.pour cela, il gre les ressources demandes par les utilisateurs et les programmes: CPU, mmoire, I/O,...il permet des protections et des communications entre utilisateurs et programmesIl fournit des informations pour quun utilisateur privilgi: le system manager gre les ressources et optimise le systme.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*de manire synthtique, on peut catgoriser historiquement les OS en 4 classes:utilisateur unique, tche uniqueutilisateur unique, tches multiplesutilisateurs multiples, tches multiplessystmes distribuslOS est un programme de type event-driven, il nintervient que quand on lui demande dintervenir par une commande ou via un programme, en rponse une commande fichier, un I/O, un input de clavier, une demande de mmoire par un programme, ....LOS prend le contrle, ou en rponse une requte de lutilisateur ou la par le jeu des interruptions (qui permet par exemple l'change du CPU entre les programmes).Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*les OS peuvent tourner sur un large ensemble de plates-formes informatiques. Les deux OS les plus frquents sont Windows et Unix. Partager les OS entre plates-formes permet une meilleure portabilit des programmes et des applications (qui interagissent avec cet OS)les OS sont rendus universels par leur criture dans un langage de programmation de haut niveau qui peut tre compil et excut sur de nombreuses plates-formes. C et C++ sont des langages idaux dcriture dOS. De fait, lOS est un programme comme les autres mais qui se trouve en amont de tous les autres et peut interagir avec tous les autres.en plus, une mme plate-forme peut tourner avec plusieurs OS. Sur votre mme PC, vous pouvez excuter Windows, NextStep ou Linux il faut diffrentier le kernel de lOS (le cur) du shell qui peut-tre de type GUI (Graphical User Interface), les plus rpandus aujourdhui, ou de type ligne de commande (CLI - Command Lign Interface).Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*un kernel peut donc donner lieu plusieurs shell, ce qui est typiquement la cas avec UNIX (avec une seule commande on peut changer de shell, on peut aussi configurer le shell initial) et le contraire avec Mac-OS.certains OS (Unix, MS-Dos) permettent lcriture de fichier reprenant une suite de commandes OS qui peuvent tre excuts comme un programme normal (les fichiers BAT en MS-Dos). On y intgre, par exemple, des fonctionnalits comme le piping ou la redirection des I/O,... Unix est le plus complet en cette matire.de manire plus complte, les 10 occupations de lOS sont: linterface utilisateur, le service fichier, le service I/O, la gestion des process et des threads, la gestion mmoire, le dispatching, la gestion des mmoires disque et autres supports secondaires, la scurit et la protection, rseaux et communications, le support au system manager ou system administrator (le superuser en UNIX)Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Multi-tches et multi-utilisateurs: Organisation en processus.Un seul programme est peu conome pour le CPU: notamment cause du temps perdu pour les I/O.Aujourdhui tous les ordinateurs permettent le multitche.Le rle supplmentaire de lOS devient dallouer les ressources CPU et mmoire entre les tches. Cest la procdure de dispatching qui prend en compte les I/O (quand un programme attend pour son I/O, un autre peut sexcuter) et une rpartition quitable du temps CPU entre les programmes. Cest aussi la gestion mmoire qui doit partitionner la RAM entre les programmes. Les diffrentes gestions ne sont pas indpendantes: plus on met de programmes dans la RAM, plus le dispatching doit grer la rpartition des autres ressourcesla notion de processus - le processus est un programme qui sexcute avec ses ressources I/O, les fichiers ouverts, sa mmoire.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Le bloc descripteur de processusA chaque processus est associ un bloc descripteur qui contient toutes les informations suivantes:un identificateur du processus, l'tat courant du processus, un espace pour la sauvegarde du contenu des registres du processeur lorsque le processus est provisoirement interrompu dans son excution, ladresse de sa table de correspondance entre pages virtuelles et pages relles, la liste des ressources ncessaires en termes de mmoire et fichiers, le niveau de priorit ventuel considrer dans l'affectation des ressources, une spcification de ses permissions d'accs (la zone mmoire occupe par le process est-elle accessible par d'autres process) le propritaire du processus (par exemple l'utilisateur ou le process l'ayant dclench),la liste des processis enfants (c'est--dire les processus dclenchs partir de celui-ci).Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*quand un processus est cr et prt tre excut, il est ready et doit passer au dispatching qui, sil est choisit, le fait passer au stade running. Plusieurs processus peuvent tre bloqus ou ready mais un seul peut tre running. Quand un processus demande un I/O, il devient bloqu. Quand lI/O est termin, il redevient ready.les threads sont des espces de mini-processus. Les threads ont leur propre program counter, registres, mais ils appartiennent au mme processus, avec les mmes donnes. En gros les threads sont des petites routines dun mme programme qui peuvent tre traits comme des mini-processus. Les threads ont pris de limportance avec lintensification des programmes event-driven et des programmes anims. On les retrouve dans les langages de programmation de avancs: C++ et JAVA.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Gestion du processeurle but du dispatching (allocateur) est de slectionner le prochain processus pour le CPU. Une fois choisi, lOS se limitera mettre dans le registre de compteur dinstruction, linformation, reprise dans le registre spcifique du bloc descripteur, de ladresse de linstruction excuter. cest le mcanisme dinterruption qui est mis luvre.il y a une multitude de possibilits pour lalgorithme de dispatching. Les anciens algorithmes taient tels quune fois un processus slectionn, il sexcutait jusqu la fin. Le choix tait de type: First-in-First-out, ou dabord les petits programmes ou encore sur base de priorit assign chacun des programmes.les algorithmes plus rcents sont plus flexibles et dmocratique. Le round robin alloue chaque processus un certain quantum de temps et tous les processus tournent. Les processus faisant de lI/O sont pnaliss car ils tourneront beaucoup plus que les autres. Ds lors, certaines variations favorisent ceux qui font beaucoup dI/O car ils laisseront naturellement leur place en cas dI/O.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Les diffrents tats dun processusCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Allocation du temps processeur aux processus: stratgie premptive.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*La gestion mmoirela gestion mmoire consiste allouer chaque programme excuter un espace mmoire. La mmoire est partitionne en plusieurs programmes. La partition est soit totalement quitable soit prend en considration la taille du programme. Mais lemplacement mmoire ne sera pas continu.on retrouve des problmes de fragmentation semblables ceux que lon retrouve sur disque mais pour la RAM cette fois-ci.Linstallation de programmes dans diffrents emplacement mmoire justifie galement des modes dadressage relatifs plutt quabsolus.Un programme pourra se planter quand on essaiera dadresser une information qui se trouve hors de lespace mmoire qui lui a t allou.Il faut bien sr toujours et surtout protger lespace mmoire de lOS.il faut rajouter cela la mmoire virtuelle qui doit tre gre galement par lOS. La mmoire virtuelle permet daccrotre considrablement lespace mmoire (par lespace disque) en utilisant des adresses logiques dont la correspondance avec les adresses physiques se fait dans un deuxime temps. Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*La mmoire virtuellevia la mmoire virtuelle, chaque processus tourne avec sa propre mmoire et sa propre table de correspondance (table des pages)en cas dabsence de la page requise dans la mmoire RAM, lOS va chercher sur le disque dur la page absente pour la charger dans la RAM. cela marche d au principe de localitSi toutes les places sont occupes dans la RAM, on remplace une page par une autre en suivant lun ou lautre critre: First-in-First-out, la moins rcemment utilise, la moins frquemment utilise, ....Dans certains cas, la page remplace appartient au mme processus, dans dautres cas, non.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*La gestion des I/O (entres/sorties)Plug and play pilotes, ct OS, et contrleurs, ct priphrique.Il peut y avoir plusieurs appels I/O satisfaire simultanment.Cest le mcanisme dinterruption qui gre lensemble.L encore, cela peut se faire en suivant une procdure de type First-in-First-out ou en suivant une procdure plus sophistique (de priorit)Le problme du deadlock se produit quand plusieurs processus ont besoin de la mme ressource (par exemple plusieurs programmes veulent imprimer) et quand le premier a besoin dune ressource utilise par le deuxime qui lui-mme a besoin dune ressource utilise par le premier. Par exemple un programme occupe de la mmoire quil librera sil peut imprimer. Mais un autre processus imprime jusqu ce quil puisse occuper de la mmoire. Cela peut se produire avec plusieurs processus qui sont organiss circulairement.On rsout ce problme soit en le prvoyant, soit en lvitant soit en le corrigeant. Il faut galement synchroniser la communication entre les processus.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*La gestion des fichiersTout sur le disque dur est sous forme de fichiers.Chaque fichier est reprable et accessible par son nom.Son contenu dpend du programme qui le traiteToute application a une vision assez unique dun fichier, une squence de bytes. Cela devient facile de le lire, le copier, le dplacer, leffacerLessentiel de vos manipulations et de celles de lOSChaque OS a un systme de gestion de fichiers qui lui est propre et souvent diffrent dun autre.



*Gestion du rpertoire: un systme de dnomination des fichiers.Structure arborescenteChaque rpertoire est lui-mme un fichier avec un tas dinfos sur son contenu.Laccs aux fichiers est conditionn par des droits daccs.Pour Unix et Windows, la gestion du contenu dpend des applications et non pas de lOS qui voit tout fichier comme une squence non structure de bytes.



*Stockage physique des fichiersLe disque dur peut tre divis en partitions gestion facilite, table des contenus plus petites.Lunit dallocation et de transfert pourrait tre le secteur disque, 512 bytes. Mais la table renseignant sur lemplacement des fichiers serait trop grosse grossissement de lunit plusieurs secteurs: des agrgats ou cluster de secteurs. Par exemple: 8 secteurs.Le mode de stockage le plus simple est le stockage contigu, accs et retrait simplifi.Mais problmes de fragmentation vidents.Do le stockage en liste li qui convient aussi bien pour des fichiers squentiels. Le problme cest la vulnrabilit si une des units est endommage. Stockage selon table indexe: accs facilit car index mais problme du stockage des tables dindex (sur disque et dans RAM)



*Stockage contigu des fichiersCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Stockage des fichiers en liste lieCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Stockage selon table indexeCours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Stockage logique des fichiers: FAT sous Windows (mlange index et liste lie)



*NTFS sous Windows: plutt indexDepuis Windows NT



*Sous Unix (index NTFS = Unix)Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


*Structuration logique des fichiersUn fichier = collection squentielle doctetsSur le disque: agrgats disperssLOS ne soccupe pas de la structuration interne des fichiers.Or ce contenu peut avoir une organisation prcise.Sous forme dune suite de records.Chaque record possde son identifiant.Exemple des transactions



*Do laccs logique associAccs squentiel: seul possible pour les fichiers contigus ou en liste lieLe plus standard Parfait pour du texte mais pas pour des transactions accs index: possible pour des fichiers stocks selon la table indexe.Table encombrante et parcours de la table la recherche de la valeur de lindex trs long. accs direct par adresse calcule: adresse se calcule partir de la valeur de la clef. BASES DE DONNEES.Cours Polytech - 2me Bachelor - Introduction la micro-informatique


LES BASES DE DONNEES*Cours Polytech - 2me Bachelor

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