Aspects Matériel et logiciels du traitement de l'information

1. Aspects Matériel et logiciels du traitement de l'information Cours de PCEM 2 F. KOHLER f.kohler@chu-nancy.fr

2. Objectifs • Connaître le principe de fonctionnement d’un micro-ordinateur • Etre capable de distinguer les différents types de systèmes d’exploitation • Etre capable de citer et d’indiquer l’usage des différents périphériques • Etre capable d’indiquer le principe du codage binaire de l’information notamment appliqués aux caractères

3. Plan • Un peu d'histoire • Anatomie fonctionnelle • Biologie cellulaire • Du gros ordinateur au palm top • Physiologie générale : Les systèmes d'exploitation • Anatomie détaillée • Physiologie spécialisée : Les logiciels applicatifs • Pathologie : Virus et autre • Traitement : Maintenance et sauvegarde

4. Un peu d’histoire • La cellule vivante utilise des systèmes de type digital : code génétique, influx nerveux... • Les ordinateurs traitent de l'information digitale, • fondamentalement discontinue : chiffres ou des caractères, • par opposition à l'information analogique qui, elle, a un caractère continu : tensions électriques... • L’information élémentaire est caractérisée par la présence ou l’absence d’une certaine tension sur un conducteur. On note 1 la présence de la tension et 0 l’absence. Cette information élémentaire est le bit • L’objectif est de traiter automatiquement l’information soit en vue • D’automatiser des actions comme : • Réaliser des calculs numériques (addition, soustraction…) • Réaliser des processus industriels • D’automatiser des démonstrations : calcul symbolique, démonstration de théorèmes…

5. La machine de Pascal • 17 ième siècle : Pascal invente la machine à calculer à roues dentées qui permet de réaliser l'addition et la soustraction. La machine est constituée de roues comportant 10 positions (de 0 à 9) et chaque fois qu'une roue passe de la position 9 à la position 0, la roue immédiatement à gauche avance d'une position. • L'unité arithmétique de nos ordinateurs fonctionne sur le même principe, des circuits électroniques ont remplacé les roues. • Leibnitz lui a ajouté la multiplication et la division.

6. Les applications industrielles • Les jacquemarts sont les ancêtres des automates à séquences qui fleurissent dans l'industrie (programmeur de machine à laver...). On les appelle calculateurs à programme intérieur ou figé car ils sont condamnés à exécuter la même séquence : le même programme • Au 19 ième siècle Babbage a l'idée de reprendre les concepts développés par jacquard pour l'automatisation des métiers à tisser avec la notion de programme extérieur. La machine de Babbage devait (elle n'a jamais été terminée) lire une carte perforée, définissant une opération à effectuer; exécuter l'opération; lire la carte suivante etc... • Ce type de machine ne sait exécuter que des séquences. Toute décision dépendant du résultat d'un calcul doit être réalisée par l'homme.

7. La naissance des ordinateurs • 1945 Von Neumann : Machine à programme enregistré. Elle permet le branchement conditionnel : suivant la valeur d'un résultat précédemment obtenu, positive ou négative par exemple, la machine devra exécuter telle ou telle partie du programme. • La plupart des ordinateurs actuels fonctionne selon le schéma de Von Neuman.

8. Anatomie fonctionnelle • Même si dans un micro-ordinateur, tout est condensé dans un seul boîtier, on distingue : • L'unité centrale • Composée de • L'unité arithmétique et logique effectue sur les données qu'elle reçoit les traitements commandés par l'unité de contrôle • L'unité de contrôle extrait de la mémoire centrale la nouvelle instruction à exécuter, analyse cette instruction et établit les connexions électriques correspondantes dans l'unité arithmétique et logique; elle extrait de la mémoire centrale les données sur lesquelles porte l'instruction, elle déclenche le traitement des données dans l'unité arithmétique et logique et éventuellement range le résultat dans la mémoire centrale. • Dans les micro-processeurs, l'unité de contrôle et l'unité arithmétique et logique sont rassemblées dans le même circuit électronique. • La mémoire centrale • La mémoire centrale contient deux types d'informations : • Les instructions du programme que la machine devra exécuter. Le programme est enregistré en mémoire avant le début de son exécution • Les données ou opérandes sur lesquelles la machine effectuera les traitements dictés par les instructions. • Les unités d'échange et les unités périphériques • Elles permettent à la machine de communiquer avec l'extérieur. • Dans un micro-ordinateur, tout ceci est rassemblé sur la carte mère.

9. Anatomie fonctionnelle

10. Fonctionnement interne • La mémoire centrale • Elle peut être considérée comme formée d'un ensemble de cellules pouvant contenir une information appelée mot. • En français, les mots sont composés de lettres et de chiffres et peuvent avoir des longueurs différentes : • Informatique : 12 lettres • Fille : 5 lettres • En informatique, les mots sont composés de bit pouvant prendre les valeurs 1 ou 0 et leur longueur est fixe (8, 16, 32… bit) • Les cellules sont numérotées et l'unité de contrôle connaît chaque cellule par son numéro : son adresse. • La mémoire centrale est limitée en taille et volatile, toutes les informations vont être perdues en cas de coupure de courant ou de plantage.

11. Fonctionnement interne • La mémoire centrale et l’unité de contrôle • L'unité de contrôle peut lire le contenu d'une cellule donnée ou écrire une information dans une cellule d'adresse donnée. • Pour réaliser cela, l'unité de contrôle fournit l'adresse de la cellule concernée dans un registre associé à la mémoire centrale : le registre d'adresse ou de sélection mémoire. • Dans le cas d'une lecture, l'information contenue dans la cellule est transférée dans un deuxième registre : le registre mot ou d'échange. • Dans le cas d'une écriture, l'information contenue dans le registre mot est transférée dans la cellule, effaçant et remplaçant l'ancien contenu de la cellule.

12. Fonctionnement Interne • Le programme • Il se compose d'instructions rangées séquentiellement en mémoire. A la fin de l'instruction d'adresse A, le calculateur enchaîne automatiquement sur l'instruction d'adresse A+1 sauf en cas de branchement conditionnel. • Il existe trois type d'instructions : • Les instructions de traitement portant sur des opérandes : opérations arithmétiques et logiques, opération de rangement en mémoire. • Les instructions de rupture de séquence permettant de rompre l'enchaînement séquentiel et de passer à une autre partie du programme si certaines conditions sont réalisées. • Les instructions d'échange permettant les échanges entre le calculateur et le milieu extérieur. • Il est écrit soit en « langage machine » suite de bit correspondant à des ordres spécifiques d’un microprocesseurs soit en langage symbolique (basic, fortran, c, java….) qui nécessite une traduction en langage machine pour être comprise par le microprocesseur

13. Fonctionnement interne • L'unité arithmétique et logique • Pour réaliser une addition le programme doit fournir les informations suivantes : • Le type d'opération à réaliser ici une addition • L'adresse de la cellule mémoire qui contient la première donnée • L'adresse de la cellule mémoire qui contient la deuxième donnée • L'adresse de la cellule mémoire où doit être rangé le résultat • On peut ainsi concevoir une machine à 3 adresses (3 registres) ou à une adresse et un accumulateur. Commandes des opérations à effectuer R3 Accumulateur R1 R1 R2

14. Fonctionnement interne • L'unité de contrôle comporte deux registres et le séquenceur : • Le compteur d'instruction (compteur ordinal) qui contient l'adresse de l'instruction à exécuter. • Un registre instruction qui contient l'instruction extraite de la mémoire. Il peut être complété par un registre d'état. • Le séquenceur analyse l'instruction et fournit les commandes à l'ensemble des unités de la machine pour faire exécuter l'instruction. • Le rythme (MHZ ou GHZ) est fourni par une horloge à quartz qui assure un cadencement régulier et une synchronisation des opérations. • Plus l’horloge est rapide, plus le nombre d’instructions traitées par unité de temps est grand.

15. Fonctionnement interne • Notion d'interruptions • Les interruptions sont des commandes qui émanent du milieu extérieur et qui demandent au calculateur d'exécuter un programme associé à la commande. • Le programme en cours sera interrompu pour permettre l'exécution du programme demandé par l'interruption. Une fois celui ci terminé, l'exécution du programme interrompu peut se poursuivre. • C'est grâce aux interruptions que les unités d'échange préviennent l'unité de contrôle que les opérations d'entrée-sortie sont terminées. • Exemple : l’appui sur les touches « contrôle » « Alt » « Suppr » en même temps sus windows entraîne une interruption.

16. Codage de l'information • Information digitale • L'information digitale élémentaire est alternative : il y a ou il n'y a pas de courant dans un fil électrique. Conventionnellement ces états sont notés 1 et 0, l'information contenue est appelée digit ou bit. • Les informations plus complexes se ramènent à un ensemble de bits grâce aux techniques de codage : un ensemble de 2 bits peut coder 4 états : 0,0; 0,1; 1,0; 1,1. Avec n bits on peut coder 2n états. • Le codage consiste à établir une loi de correspondance appelée code entre les informations à représenter et les configurations binaires. • Avec 8 bits (1 octets ou byte) on code 256 informations par exemple les nombres entiers positifs de 0 à 255. • Pour coder les caractères (lettre de l'alphabet, signes de ponctuation, chiffres...), le premier code utilisé, le code ASCII (american standard coding for informatic interchnage) a été standardisé sur 7 bits permettant de représenter 128 signes. Il ne permet pas la représentation des lettres accentuées ou autres signes spécifiques. Pour cela il a été étendu sur 8 bits avec des interprétations différentes suivants les systèmes (le code ASCII du macintyosh et du PC ne sont pas les mêmes…). Afin de rendre les systèmes interopérables et de tenir compte de l’ensembles des signes des différentes langues, une autre représentation a vu le jour dans l’UNICODE.

17. Un exemple de code • Le code génétique • L'ADN est composé de nucléotides. Du point de vue informatique on distingue 4 nucléotides possibles A, T, C, G. • Le problème du code de l'hérédité revient à déterminer la façon dont la succession de nucléotides dans l'ADN, peut être l'image de la succession des acides aminés dans la protéine. • L'éléments d'information significatif est composé de 3 nucléotides appelé codons. • Le code de l'hérédité peut se représenter sous forme d'un tableau à deux colonnes celle des codons et celle des acides aminés correspondant. Ce tableau à 4^3 = 64 lignes. • Ce code n'est pas biunivoque. Plusieurs acides animés peuvent correspondre au même codon. • Il est universel.

18. Anatomie détaillée : Composants d'un micro-ordinateur • L'unité centrale, dans les microordinateurs est composée • de la carte mère. Centrée autour d'un microprocesseur, • de l'alimentation • des connecteurs de base (bus, slot) dans lesquels prennent place différentes cartes (interfaces) pour piloter les périphériques : clavier, écran, souris, lecteur de disquette, disque dur.

19. Anatomie détaillée : Composants d'un micro-ordinateur • Les microprocesseurs sont fabriqués essentiellement par quelques sociétés dont INTEL (pentium) et MOTOROLA (powerpc). Il sont de différentes technologies • Mémoire vive : RAM et mémoire morte : ROM. Le contenu des cellules de la RAM peut être lu et écrit. Il s'efface à chaque coupure de courant. Le contenu de la ROM est enregistré lors de la construction du circuit électronique. Il n'est pas modifiable. La ROM contient des éléments du système d'exploitation. • La mémoire centrale est composée de circuit électronique soudé à la carte mère et peut être étendue grâce à des barrettes mémoires. La capacité de la mémoire centrale des micro-ordinateurs actuels s'exprime en kilo-octet (1 KO = 1024 octets) ou en méga-octets (1 MO = 10^3 KO). Un micro-ordinateur actuel a 256 à 512 MO de mémoire centrale.

20. Micro- processeur Anatomie détaillée : Composants d'un micro-ordinateur Unité centrale • Principaux organes d'un micro-ordinateur Bus commande Bus données Interfaces entrées/sortie Mémoire centrale Bus adresses Entrées Stockage Sorties • Ecran • Imprimante • Robots, Contacteurs • Sons • Modem •… • Clavier • Souris • Stylo et tablette • Numériseur, Contacteur • Microphone •… • Disques durs • Disques optonumériques • Syquest • CD, DVD • Bande •… Périphériques

21. Les claviers • Avec ou sans touches de fonctions • Adaptés au pays : QWERTY - AZERTY… • Touches spéciales • ESC : escape • CTRL : contrôle • ALT ou OPTION : altération • Commande (FN) • MAJ : majuscule • Majuscule bloquée • Entrée : retour chariot • Validation • Mécaniques, sensitifs, à membrane... • L'appui sur une touche génère grâce à un encodeur, une information codée qui est transmise à travers une mémoire tampon (buffer). Plusieurs codes sont utilisés, et spécifiques des systèmes ¾

22. Les souris • Dispositif de pointage et de validation • Une boule est contenue dans une cage. Quand on bouge la souris, la boule entraîne deux capteurs perpendiculaires (en x et en y) qui permettent de connaître la position de la souris dans le plan. • La validation se fait par un (Apple) ou plusieurs (Microsoft, Sun) boutons. • Utilisation • Dessin • Commande par désignation et click , double click ou Click and Drop. • Simple Click - Double Click / Bouton droit -Bouton Gauche • Drag and Drop

23. Les numériseurs : scanners • Objectif : • Transformer une image statique traditionnelle papier (photo) ou sur un film (diapo, radio) en une image numérique noir et blanc ou couleur. • Principe : • Une barre de cellule sensible à la lumière se déplace le long du document à scanner. • Pour chaque point que la scanner est capable de distinguer (en général de 300 à 1 200 points/pouce), une mesure de la lumière est réalisée et est convertie en valeurs numériques. Si le codage de chaque point est réalisé sur 1 bit (noir ou blanc) on a une image sans couleur ni niveau de gris. Pour atteindre 16 niveaux de gris, il faut 16 bits etc. • Donc, meilleure est la définition (nombre de points par pouce) et plus riche est l'image (nombre de gris ou de couleurs) plus la taille du fichier numérique créé sera important. Il n'est exceptionnel pour des images couleurs d'atteindre des tailles de plusieurs méga-octets. • Compléments : • Les programmes qui pilotent les scanners offrent souvent des possibilités de traitement d'image (lissage, ajustement de la luminosité, du contraste, balance des couleurs...). • L'image numérique peut faire l'objet d'une reconnaissance optique des caractères (OCR) qui permet de transformer l'image en un texte, manipulable dans un traitement de texte.

24. Les cartes de conversion Analogique/numérique et Numérique/analogique • Analogique -> Numérique • Objectif : • Transformer, grâce à un échantillonnage à fréquence connue, un signal électrique issu de divers capteurs (microphone, ECG, potentiels évoqués...) en une suite de valeurs numériques. • Application : • Reconnaissance vocale • Traitement du signal • Commande de l'environnement - Alarme • Robotique • Numérique -> Analogique • Synthèse sonore • Synthèse vocale • Synthèse musicale • Commande analogique • Notion de moteur analogique par rapport au moteur pas à pas (numérique)

25. Les autres périphériques d'entrée • Lecteur de code barre • Les codes barres sont des impressions codées (l'espace et la largeur des traits détermine le code d'une lettre ou d'un chiffre) utilisées essentiellement sur des étiquettes pour repérer des objets ou des personnes (badge, carte d'étudiant...) • Lecteur optique de marque • Qui a passé le concours de première année connaît les fiches de marques. Chaque case est analysée par une cellule photoélectrique qui renvoie 1 ou 0 en fonction de la présence d'une coche dans la case. • Lecteur de carte : magnétique, à puce, optique • Tablette à digitaliser • Un stylo appuie sur une surface sensible (en général, l'appui entraîne des variations de capacité et permet de repérer la localisation en x*y du stylo et éventuellement la force de l'appui. • Ecran tactile • Le principe est le même que pour la tablette, l'écran étant fabriqué avec un verre spécial. • Désigneurs • Il s'agit de panneau avec un chenillard qui peut être arrêté par un contacteur. Ces systèmes d'interfaces sont utilisés pour les handicapés.

26. Les écrans • Types : • On distingue les écrans suivant • leur taille (...15, 17, 21... pouces), • leur technologie (cathodique, à cristaux liquide...), • leur résolution (nombre de points horizontaux et verticaux. Plus le pixel est petit, meilleur est la qualité de l'image cela est mesuré par le pitch • leur vitesse de synchronisation vidéo • leur capacité à gérer les niveaux de gris ou la couleur... • Mode texte et mode graphique • En mode texte, l'ordinateur envoie un ordre de positionnement et le code du caractère. Le caractère est formé grâce à un générateur de caractère figé en ROM qui contient le dessin de chaque lettre préencodé pixel par pixel. • En mode graphique, le caractère est dessiné en fonction d'une table de correspondance en RAM entre un dessin point à point (caractère bitmap) et son code. Dans ce cas, il y a bien évidemment un dessin bit map par taille de caractère. Dans la modélisation vectorielle du dessin du caractère (true type, post script...), il y a un interpréteur qui transforme au mieux la courbe décrite de manière mathématique et sa représentation en pixel. Une seule représentation vectorielle permet par homothétie d'avoir toutes les tailles. Du plus en mode graphique, chaque pixel peut être directement adressé et coloré. • Les écrans tactiles • comporte un revêtement constitué d'un verre qui change de capacité électrique au toucher ce qui permet de repérer la position du toucher en x*y. L'écran de Newton est de ce type. Il est couplé à une reconnaissance de l'écriture manuscrite.

27. Les terminaux • Définition • On appelle terminal un ensemble clavier - écran plus ou moins complété par des dispositifs de connexion à un ordinateur distant. • C'est un périphérique qui, seul, peut, au plus, renvoyer à l'écran les caratères qui sont frappés sur le clavier. Seul il ne peut pas exécuter un programme. • Quelques exemples • Terminaux "passifs" de type texte des gros systèmes informatiques : au CHU de Nancy terminaux IBM 3270 • Terminaux X pour machine Unix • Minitel • ...

28. Imprimantes • Type • On distingue les imprimantes par • leur résolution (300, 600, 800, 1200 points par pouce). • leur technologie (thermique, à aiguille, à jet d'encre, laser, à sublimation thermique, ...). • leurs possibilités graphiques. • leur rapidité (1 à 100 page à la minute). • Combiné imprimante/photocopieur/scanner/fax • Certaines compagnies proposent des combinés rassemblant dans le même appareil tout ou partie de ces éléments.

29. Autres périphériques de sorties • Imprimantes spécialisées • Codes barres • Etiquettes • Enveloppes... • Tables traçantes • Traceurs grands formats • Robot • Synthèse vocale et interface midi • Modem • Les modulateurs/démodulateurs (modem) permettent de relier un micro-ordinateur (ou un terminal) au réseau téléphonique (ou à des réseaux spécialisés) pour communiquer avec d'autres matériels informatiques distants. • Actuellement les modems peuvent atteindre des vitesses de l'ordre de 56 000 bauds et peuvent être multi-normes (minitel, envoi-réception de fax...)

30. Les dispositifs de stockage • Les supports magnétiques • Les disquettes • Elles sont composées d'un disque plastique recouvert d'une couche d'oxyde magnétique. Les informations sont enregistrées sur des pistes concentriques. Chaque piste est divisée en secteurs qui contiennent un nombre fixe de caractères (octets). Pour repérer pistes et secteurs, des indications doivent être enregistrées sur le support vierge acheté dans le commerce. Cette opération s'appelle le formatage. Il est spécifique d'un système informatique donné. • Différentes tailles ont existé : 8 pouces, 5 pouces 1/4, actuellement la taille 3 pouces ½ est la règle. • La capacité des disquettes dépend de la densité d'enregistrement (simple : 2 768 bpi, double : 5 536 bpi, haute : 9 640 bpi) et du lecteur enregistreur. On atteint actuellement des capacités de 2,8 MO sur des disquettes de 3 pouces 1/2. • Les disque durs • Le support est un ou plusieurs plateaux d'aluminium recouvert d'oxyde magnétique. Le principe de stockage de l'information est identique à celui des disquettes mais les capacités sont bien plus importantes actuellement60 Giga Octet représente une capacité courante • Certains sont fixes d'autres sont amovibles • Les bandes magnétiques • Elles sont utilisé dans les systèmes de sauvegarde

31. Les dispositifs de stockage • Les supports opto-numériques • Les CD, comparables au CD audio (d'ailleurs votre PC ou votre mac muni d'un lecteur de CD sait parfaitement jouer ces derniers), il stocke plus de 600 MO d'informations. L'information est stockée sous forme de cuvette en relief dans un support plastique recouvert d'un pellicule métallique. Un rayon laser est utilisé pour la lecture. Le CD est actuellement le moyen de choix utilisé pour diffuser des produits multi-média : encyclopédie, dictionnaire, musique, musée virtuel, EAO ... • Une technologie particulière permet d'utiliser des supports opto-numériques en lecture-écriture avec des capacités très grandes 1GO voir plus sur un support de la taille d'une disquette 3 pouces 1/2. • Le DVD permet des capacités de stockage fort importante et devient le support de diffusion des film. Les graveurs restent encore d’un prix élevé pour le particulier • Les cartes PCMIA • D'apparition récente, il s'agit de carte un peu plus petite qu'une carte de téléphone qui peuvent contenir des mémoires non volatiles, réinscriptibles. • Les cartes • magnétiques, à puce ou optiques. Elles sont utilisées notamment pour réaliser l'identification précise des personnes et donner accès à certaines applications ou données (cartes des professionnels de santé...) ou encore pour réaliser des dossiers médicaux (carte santal...).

32. Le logiciel de base : le système d'explotation • Définition • Le système d'exploitation est l'ensemble des programmes de base qui permettent la gestion des travaux confiés à la machine, la gestion de la mémoire, la gestion des entrées/sorties, la coordination de l'ensemble des ressources... C'est le véritable chef d'orchestre. • On distingue • Les systèmes d'exploitation constructeur : GCOS 6 de Bull..., des systèmes d'exploitation multiplateforme : Unix... • On sépare • Les systèmes d'exploitation monotaches/multitaches. • Les systèmes d'exploitation monoutilisateur/multiutilisateurs. • Le système d'exploitation comprend des bibliothèques de programmes • Utilitaires divers : tri, recherche documentaire, gestion des archives... • Langages de programmation • Editeurs de texte • ...

33. L'interface de commande et l'interface utilisateur. • Le langage de commande permet à l'utilisateur de donner des ordres à l'ordinateur. Le langage de commande est spécifique du système d'exploitation. Il permet de charger des fichiers en mémoire, de lancer des applications, de formater des supports magnétiques... autrement dit de piloter l'ordinateur et ses périphériques. • Le langage de commande de type commandes lignes est le plus ancien. On le retrouve dans le shell unix standard, le MS DOS et de très nombreux systèmes propriétaires. De véritables programmes peuvent (batch) être écrits par enchaînement des commandes lignes. Comme tout langage, il nécessite un apprentissage et n'est pas forcément intuitif par exemple que veut dire la commande : CD ..\..\toto\format a:/s. • Le langage de commande de type wysiwyg est plus récent. Le macintosh en 1984 a répandu le concept d'interface graphique avec réalisation des commandes par click sur des icônes ou utilisation de menu déroulant. Windows a repris ces concepts en surcouche du DOS. • Les deux types de commandes peuvent coexister (unix, Apple script...) dans le même système d'exploitation.

34. Et le reste ... • Les logiciels applicatifs • Traitement de texte • Tableur • Système de gestion de base de données • ... • Les virus et la sécurité • Virus • Loi informatique et liberté • La maintenance • Matérielle • Logicielle