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Cours informatique générale systèmes d'exploitation

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3 L’Ordinateur

De nos jours, l'ordinateur est devenu un outil d'usage courant. Mais comment fonctionne cette machine si intrigante? Sans instruction pour le faire fonctionner, l'ordinateur est une grosse boîte de métal et de plastique qui ne sert à rien. Tout comme n'importe quel appareil ménager, l'ordinateur a besoin d'instructions. Elles lui sont transmises par le clavier ou la souris. Tout comme vous conduisez une voiture sans en maîtriser chaque élément mécanique, il n'est pas nécessaire de tout connaître sur le fonctionnement d'une voiture pour être capable de l'utiliser.

L'ordinateur est une machine qui traite des informations (des textes, des photos, des images) par l'intermédiaire de ses circuits électroniques et de ses programmes informatiques.

Pour transférer ces informations à l'ordinateur, nous utilisons des accessoires tels que le clavier, la souris, le numériseur et la caméra numérique. Nous les appelons des périphériques d'entrée.

Pour bien percevoir les informations transférées et être capables d'en apprécier les modifications, nous utilisons des périphériques de sortie tels que l'écran et l'imprimante.

Pour que l'ordinateur puisse intégrer les informations qui lui sont envoyées, il faut qu'il puisse les comprendre. Pour ce, il faudra qu'elles soient modifiées en langage machine. En fait, si nous appuyons sur une touche du clavier, l'ordinateur recevra une série d'impulsions électriques. Ces impulsions seront interprétées par l'ordinateur sous forme de séries de (0 et 1) qui compose le langage informatique. Ces impulsions, ou chiffres, sont appelées des «bits».

En appuyant sur une touche, le clavier envoie sous forme d'impulsions électriques, une série de 0 et de 1, toujours en nombre exact de huit, que l'on appelle des octets. La lettre B, par exemple, est convertie en une série de huit chiffres : 01000010.

L'origine du mot «ordinateur» vient de la firme IBM. Celle-ci demanda en 1954 à un professeur de lettres à Paris de trouver un mot pour désigner ce que l'on appelait vulgairement un «calculateur» (traduction littérale de computer en anglais). Toute machine capable de manipuler des informations binaires (0 et 1) peut être qualifiée d'ordinateur.

Si nous excluons les périphériques d'entrée et de sortie, que nous avons brièvement énumérés auparavant, un ordinateur est composé :

  • d'une unité centrale (le boîtier);
  • de périphériques internes (cartes de son, carte vidéo, ...);
  • d'un lecteur de disquettes, d'un lecteur de CD-ROM ou de DVD-ROM;
  • éventuellement, de cartes d'extension diverses, ... 3.1 La carte mère

Schéma d'une carte mère :

La carte mère est le principal constituant de l'ordinateur. C'est sur cette carte que sont connectés les autres éléments :

  • Le microprocesseur (cerveau de l'ordinateur);
  • La mémoire (RAM : Random Access Memory, la mémoire cache);
  • Le disque dur, le lecteur de CD-ROM, le lecteur de disquettes;
  • Les périphériques internes : carte de son, carte vidéo.

3.2 Le microprocesseur

Le premier microprocesseur (Intel 4004) a été inventé en 1971. Depuis, la puissance des microprocesseurs augmente exponentiellement. Quels sont donc ces petits morceaux de silicium qui dirigent nos ordinateurs?

Le processeur (CPU) est le cerveau de l'ordinateur, c'est lui qui coordonne le reste des éléments, il se charge des calculs, bref, il exécute les instructions qui ont été programmées.

Toutes ces opérations sont des informations numériques. Les microprocesseurs utilisent des petits transistors pour faire des opérations de base; il y en a plusieurs millions sur un seul processeur.

Les principaux éléments d'un microprocesseur sont :

  • une horloge qui rythme le processeur. À chaque TOP d'horloge, le processeur effectue une instruction. Ainsi plus l'horloge a une fréquence élevée, plus le processeur effectue d'instructions par seconde (MIPS : Millions d'instruction par seconde). Par exemple un ordinateur ayant une fréquence de 100 mégahertz (MHz) effectue 100 000 000 d'instructions par seconde;
  • une unité de gestion des bus qui gère les flux d'informations entrant et sortant;
  • une unité d'instruction qui lit les données, les décode puis les envoie à l'unité d'exécution;
  • une unité d'exécution accomplit les tâches données par l'unité d'instruction.

Le processeur travaille, en fait, grâce à un nombre très limité de fonctions comme des expressions logiques (ET, OU, NON, etc.), des expressions mathématiques (addition, soustraction, multiplication, etc.). Celles-ci sont directement câblées sur les circuits électroniques. Il est impossible de mettre toutes les instructions sur un processeur car celui-ci est limité par la taille de la gravure. Ainsi pour mettre plus d'instructions il faudrait un processeur ayant une très grande surface. Or le processeur est constitué de silicium et celui-ci coûte cher, et d'autre part il chauffe beaucoup. Le processeur traite donc les informations compliquées à l'aide d'instructions simples.

3.3 La mémoire cache

La mémoire cache permet au processeur de se «rappeler» les opérations déjà effectuées auparavant. Elle est utilisée par le microprocesseur pour conserver temporairement des instructions élémentaires. En effet, elle stocke les opérations effectuées par le processeur, afin que celui-ci ne perde pas de temps à recalculer des calculs déjà faits précédemment. La taille de la mémoire cache est généralement de l'ordre de 512 kilo-octets (Ko).

3.4 La mémoire vive

La mémoire vive, généralement appelée RAM (Random Access Memory, traduisez mémoire à accès aléatoire) ce qui signifie que l'on peut accéder instantanément à n'importe quelle partie de la mémoire, permet de stocker des informations pendant tout le temps de fonctionnement de l'ordinateur. Par contre, cette mémoire est détruite lors de la mise hors-tension de l'ordinateur, contrairement à une mémoire de masse comme le disque dur qui garde les informations même lorsqu'il est hors tension. La mémoire vive contient les données et les instructions des applications en cours.

3.5 La mémoire morte (ROM)

Mémoire permanente contenant des microprogrammes enregistrés sur des puces électroniques de la carte mère (ou mother board) contenant les routines de démarrage du micro-ordinateur. ROM (Read Only Memory, dont la traduction est mémoire en lecture seule) est appelée aussi parfois mémoire non volatile, car elle ne s'efface pas lors de la mise hors tension du système. En effet, ces informations ne peuvent être stockées sur le disque dur étant donné que les paramètres du disque (essentiels à son initialisation) font partie de ces données vitales à l'amorçage.



3.6 Les fentes d'extension

Les fentes ou «slots» d'extension sont des réceptacles dans lesquels on peut enficher des cartes. Il en existe de trois types : les cartes ISA (les plus lentes fonctionnant en 16 bits), les cartes

PCI (beaucoup plus rapides fonctionnant en 32 bits), et les cartes AGP (les plus rapides). Ils se branchent, grâce à des nappes, sur les broches prévues à cet effet sur la carte mère.

3.7 Le disque dur

Le disque dur est l'organe du PC servant à conserver les données de manière permanente, contrairement à la RAM, qui s'efface à chaque redémarrage de l'ordinateur. Il a été inventé au début des années 50 par IBM.

3.7.1 Le fonctionnement interne

Un disque dur est constitué non pas d'un seul disque, mais de plusieurs disques rigides (en anglais hard disk signifie disque dur) en métal, en verre ou en céramiques empilés les uns après les autres à une très faible distance les uns des autres. Ils tournent très rapidement autour d'un axe (à plusieurs milliers de tours par minute actuellement) dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Un ordinateur fonctionne de manière binaire. Il faut donc stocker les données sous forme de 0 et de 1. C'est pourquoi les disques sont recouverts d'une très fine couche magnétique de quelques microns d'épaisseur, elle-même recouverte d'un film protecteur.

La lecture et l'écriture se font grâce à des têtes (head) situées de part et d'autre de chacun des plateaux (un des disques composant le disque dur). Ces têtes sont des électroaimants qui se baissent et se soulèvent (elles ne sont qu'à quelques microns de la surface, séparées par une couche d'air provoquée par la rotation des disques qui crée un vent d'environ 250 km/h) pour pouvoir lire l'information ou l'écrire. De plus ces têtes peuvent balayer latéralement la surface du disque pour pouvoir accéder à toute la surface...

Cependant, les têtes sont liées entre-elles et seulement une seule tête peut lire ou écrire à un moment donné. On parle donc de cylindre pour désigner l'ensemble des données stockées verticalement sur la totalité des disques.

L'ensemble de cette mécanique de précision est contenu dans un boîtier totalement hermétique, car la moindre particule peut détériorer l'état de surface du disque. Vous pouvez donc voir sur un disque des opercules permettant l'étanchéité, et la mention "Warranty void if removed" qui signifie littéralement "la garantie expire si retiré", seul les fabricants peuvent en vérifier le contenu (à l'intérieur de salles blanches : exemptes de particules).

3.7.2 La lecture et l'écriture

Les têtes de lecture/écriture sont dites "inductives", c'est-à-dire qu'elles sont capables de générer un champ magnétique. C'est notamment le cas lors de l'écriture, les têtes en créant des champs positifs ou négatifs viennent polariser la surface du disque en une très petite zone, ce qui se traduira lors du passage en lecture par des changements de polarité induisant un courant dans la tête qui sera ensuite transformés par un convertisseur analogique numérique (CAN) en 0 et en 1 compréhensibles par l'ordinateur.

Les têtes commencent à inscrire des données à la périphérie du disque (piste 0), puis avancent vers le centre. Les données sont organisées en cercles concentriques appelés "pistes", créées par le formatage de bas niveau.

Les pistes sont séparées en quartiers (entre deux rayons) que l'on appelle secteurs, c'est la zone dans laquelle on peut stocker les données (512 octets en général).

 On appelle cylindre l'ensemble des données situées sur une même pistes de plateaux différents (c'est-à-dire à la verticale les unes des autres) car cela forme dans l'espace un "cylindre" de données.

On appelle cluster la zone minimale que peut occuper un fichier sur le disque. En effet le système d'exploitation exploite des blocs qui sont en fait plusieurs secteurs (entre 1 et 16 secteurs). Un fichier minuscule devra donc occuper plusieurs secteurs (un cluster).

3.8 La disquette

Constituée d'une rondelle de plastique souple recouverte d'un carré de plastique dur pour la protéger, la disquette à pour avantage d'être amovible, c'est-à-dire que l'on peut l'insérer et l'enlever du lecteur très facilement. Elle existe principalement en deux formats: 720 Ko et 1,44 Mo.

Pour protéger la disquette, c'est-à-dire être certain de ne pas en effacer le contenu, il faut rabattre, de cette façon, la petite pièce de plastique.

3.9 Le CD-ROM

Il utilise des disques portatifs de grande capacité au format pratique, de plus en plus utilisé pour la vente de logiciels. Il remplacera le lecteur de disquettes dans les prochaines années.

Le CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory) est un disque optique de 12 cm de diamètre et de 1mm d'épaisseur, permettant de stocker des informations numériques, c'est-à-dire correspondant à 650 Mo de données informatiques (correspondant à 300000 pages dactylographiées) ou bien jusqu'à 78 min de données audio. Le Compact Disc a été inventé par Sony © et Philips ©.

3.9.1 La composition d'un CD-ROM

Le CD est constitué de matière plastique, recouvert d'une fine pellicule métallique d'aluminium sur une des faces. Les pistes sont gravées en spirales, ce sont en fait des alvéoles d'une profondeur de 125nm et espacées de 1,6g. Ces alvéoles forment un code binaire, une alvéole correspond à un 0, un espace à un 1.

Exemple : prenons la séquence suivante : 110010101. Celle-ci correspond sur le CD-ROM à deux espaces, deux trous, un espace, un trou, un espace, un trou, un espace.

On a ainsi une séquence binaire que le lecteur parcourt grâce à un laser ; celui-ci est réfléchi lorsqu'il rencontre un espace, il ne l'est pas lorsqu'il rencontre une alvéole.

3.9.2 Le lecteur de CD-ROM

C'est une cellule photoélectrique qui permet de capter le rayon réfléchi, grâce à un miroir semi-réflechissant comme expliqué sur le dessin suivant :

Un chariot permet de déplacer le miroir de façon à pouvoir accéder au CD-ROM en entier.

Il est ainsi possible de stocker sur ce support des musiques, des images, des vidéos, du texte et tout ce qui peut être enregistré de façon numérique.

3.9.3 Ses caractéristiques

Le lecteur CD-ROM est caractérisé :

  • Par sa vitesse : celle-ci est calculée par rapport à la vitesse d'un lecteur de CD-Audio (150 Ko/s). Un lecteur pouvant atteindre la vitesse de 3000 Ko/s sera caractérisé de 20X (20 fois plus vite qu'un lecteur 1X)
  • Par son temps d'accès, on défini le temps moyen que le lecteur prend pour atteindre une partie du CD à une autre.

3.10 Le DVD-ROM



Le DVD-ROM (Digital Versatile Disc - Read Only Memory) est une variante du CD-ROM dont la capacité est largement plus grande. En effet, les alvéoles du DVD sont beaucoup plus petite (0,4µ et un espacement de 0.74µ), impliquant un laser avec une longueur d'onde beaucoup plus faible.

 Les DVD existent en version "double couche", ces disques sont constitués d'une couche transparente à base d'or et d'une couche réflexive à base d'argent. Dans le but de lire ces deux couches, le lecteur dispose d'un laser à deux intensités :

  • une intensité faible ; le rayon se réfléchit sur la surface dorée
  • une plus grande intensité permet au rayon de traverser la première couche et de se réfléchir sur la surface argentée.

Il existe 4 types de DVD différents :

3.10.1.1.1.1.1.1.1 Type

de supp ort 3.10.1.1.1.1.1.1.2 Capacit

é 3.10.1.1.1.1.1.1.3 Temps

musical équival ent 3.10.1.1.1.1.1.1.4 Nombre de CD équival ent

CD 650Mo 1h18 min 1

DVD simple face simple couche 4.7Go 9 h 30 7

DVD simple face double couche 8.5Go 17 h 30 13

DVD double face simple couche 9.4Go 19 h 14

DVD double face double couche 17Go 35 h 26

L'intérêt du DVD touche en priorité le stockage vidéo qui demande beaucoup plus d'espace. Un DVD de 4,7 Go permet de stocker plus de deux heures de vidéo compressées en MPEG-2 (Motion Picture Experts Group), un format qui permet de compresser les images tout en gardant une très grande qualité d'image.

3.10.2 Les zones

Les DVD Vidéo sont conçus pour n'être consultables que dans certaines régions du monde : c'est le découpage en zone (qui "empêche" le piratage). Il est ainsi théoriquement impossible de lire un DVD d'une zone en étant dans une autre. Heureusement, les lecteurs de DVD pour PC peuvent les lire grâce à des utilitaires.

Les premiers graveurs de DVD sont apparus il y a peu de temps. Le seul frein est l'existence de deux normes concurrentes et incompatibles :

  • DVD-RAM de Toshiba © et Matsushita © stockant 2.6 Go
  • DVD-RW de Sony ©, Philips © et HP © stockant 3 Go Les deux normes permettent de réinscrire des données jusqu'à 1000 fois.

3.11 Le modem

Le morse a été le premier codage à permettre une communication longue distance. C'est Samuel F.B.Morse qui l'a mis au point en 1844. Ce code est composé de points et de tirets (un langage binaire en quelque sorte). Il permettait d'effectuer des communications beaucoup plus rapides que le Pony Express. L'interpréteur était l'homme à l'époque, il fallait toutefois une bonne connaissance du code.

De nombreux codes furent inventés dont le code d'Émile Baudot (portant d'ailleurs le nom de code Baudot, les anglais l'appelaient Murray Code).

Le 10 mars 1876, le Dr Graham Bell met au point le téléphone, une invention révolutionnaire qui permet de faire circuler de l'information vocale dans des lignes métalliques.

Ces lignes permirent l'essor des télescripteurs, des machines permettant de coder et décoder des caractères grâce au code Baudot (Les caractères étaient alors codés sur 5 bits, il y avait donc 32 caractères uniquement...).

Dans les années 60, le code ASCII (American Standard Code for Information Interchange) est adopté comme standard. Il permet le codage de caractères sur 8 bits, soit 256 caractères possibles.

Grâce aux techniques de numérisation et de modulation autour de 1962 ainsi que de l'essor des ordinateurs et des communications, le transfert de données via modem vit le jour.

Le modem est le périphérique utilisé pour transférer des informations entre plusieurs ordinateurs (2 à la base) via les lignes téléphoniques. Les ordinateurs fonctionnent de façon digitale, ils utilisent le langage binaire (une série de zéros et de uns), mais les modems sont analogiques. Les signaux digitaux passent d'une valeur à une autre, il n'y a pas de milieu, de moitié, c'est du Tout Ou Rien (un ou zéro). L'analogique par contre n'évolue pas "par pas", il couvre toutes les valeurs. ainsi vous pouvez avoir 0, 0.1, 0.2, 0.3 ...1.0 et toutes les valeurs intermédiaires.

Un piano par exemple marche plus ou moins de façon analogue car il n'y a pas "de pas" entre les notes. Un violon par contre peut moduler ses notes pour passer par toutes les fréquences possibles.

Un ordinateur fonctionne comme un piano, un modem comme un violon. Le modem convertit en analogique l'information binaire provenant de l'ordinateur. Il envoie ensuite ce nouveau code dans la ligne téléphonique. On peut entendre des bruits bizarres si on le volume du son provenant du modem.

Ainsi, le modem module les informations numériques en ondes analogiques; en sens inverse il démodule les données numériques.

C'est pourquoi modem est l'acronyme de MOdulateur/DEModulateur.

3.12 La carte réseau

La carte réseau est utilisée à d'interface physique entre l'ordinateur et le câble. Elle traite les données émises par l'ordinateur, elle les transfère et contrôle le flux de données entre l'ordinateur et le câble. Elle traduit aussi les données venant du câble en octets de façon que l'Unité Centrale de l'ordinateur puisse les comprenne. Enfin, la carte réseau s'insère dans un connecteur d'extensions (slot).

3.12.1 La préparation des données

Les données se déplacent dans l'ordinateur en empruntant des chemins appelés « Bus ». Plusieurs chemins côte à côte font que les données se déplacent en parallèle et non en série (les unes à la suite des autres).

  • Les premiers bus fonctionnaient en 8 bits (8 bits de données transportés à la fois)
  • L'ordinateur PC/AT d'IBM introduit les premiers bus 16 bits
  • Aujourd'hui, la majorité des bus fonctionnent en 32 bits

Toutefois sur un câble les données circulent en série (un seul flux de bits), en se déplaçant dans un seul sens. L'ordinateur peut envoyer OU recevoir des informations mais il ne peut pas effectuer les deux simultanément. Ainsi, la carte réseau restructure un groupe de données arrivant en parallèle en données circulant en série (1 bit).

Pour cela, les signaux numériques sont transformés en signaux électriques ou optiques susceptibles de voyager sur les câbles du réseau. Le dispositif chargé de cette traduction est le Transceiver.

3.12.2 Le rôle d'identificateur



  • La carte traduit les données et indique son adresse au reste du réseau afin de pouvoir être distinguée des autres cartes du réseau.
  • Adresses : définies par l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineer) qui attribue des plages d'adresses à chaque fabriquant de cartes réseau.
  • Elles sont inscrites sur les puces des cartes : procédure appelée « Gravure de l'adresse sur la carte ». Par conséquent, chaque carte a une adresse UNIQUE sur le réseau.

3.12.3 Les autres fonctions de la carte réseau

L'ordinateur et la carte doivent communiquer afin que les données puissent passer de l'un vers l'autre. L'ordinateur affecte ainsi une partie de sa mémoire aux cartes munies d'un Accès Direct à la Mémoire (DMA : Direct Access Memory).

La carte indique qu'un autre ordinateur demande des données à l'ordinateur qui la contient. Le bus de l'ordinateur transfère les données depuis la mémoire de l'ordinateur vers la carte réseau. Si les données circulent plus vite que la carte ne peut les traiter, elles sont placées dans la mémoire tampon affectée à la carte (RAM) dans laquelle elles sont stockées temporairement pendant l'émission et la réception des données.

3.12.4 Envoi et contrôle des données

Avant que la carte émettrice envoie les données, elle dialogue électroniquement avec la carte réceptrice pour s'accorder sur les points suivants :

  • Taille maximale des groupes de données à envoyer
  • Volume de données à envoyer avant confirmation
  • Intervalles de temps entre les transmissions partielles de données
  • Délai d'attente avant envoi de la confirmation
  • Quantité que chaque carte peut contenir avant débordement
  • Vitesse de transmission des données

Si une carte plus récente, donc plus perfectionnée, communique avec une carte plus lente, elles doivent trouver une vitesse de transmission commune. Certaines cartes ont des circuits leur permettant de s'adapter au débit d'une carte plus lente.

Il y a donc acceptation et ajustement des paramètres propres à chacune des deux cartes avant émission et réception des données.

3.13 Périphériques d'entrée

3.13.1 Le clavier

Le clavier est le plus important périphérique d'entrée de données. Grâce à lui, il est possible de transférer des textes ou encore de donner des ordres à la machine d'effectuer des opérations particulières. De la même façon que sur une machine à écrire, le clavier permet de saisir des caractères (lettres, chiffres, symboles, ...).

3.13.2 La souris

La souris permet aussi de saisir une information concernant la position du curseur sur l'écran et par conséquent le choix de l'utilisateur.

3.13.3 Le numériseur

Périphérique d'entrée qui permet, par balayage optique, la restitution d'une image à l'écran de l'ordinateur. Le numériseur est semblable, dans sa forme, au photocopieur, avec toutefois une importante distinction; l'image récupérée par l'appareil est transmise à l'ordinateur au lieu d'être immédiatement imprimée sur du papier.

Ce périphérique permet de numériser du texte et des images, en noir et blanc ou en couleur. La qualité dépend de la résolution. On définit la résolution par le nombre de points par pouce (ppp ou dpi), une image étant composée d'une grande quantité de points. Plus le nombre de points est grand dans un pouce carré, plus la qualité de l'image est bonne.

3.13.4 La caméra numérique

Les caméras numériques sont des appareils photographiques qui ne contiennent pas de film. Les photos sont enregistrées sur une petite disquette au lieu de s'imprégner sur une pellicule. La photographie obtenue pourra être visionnée à partir de l'écran d'un ordinateur, ou encore d'un téléviseur. Le grand avantage de ces nouveaux appareils est leur capacité à transmettre une photo à un ordinateur, par l'intermédiaire d'un fil, pour ensuite l'intégrée à un document.

 D'autres avantages de la caméra numérique : il n'est pas nécessaire d'acheter des pellicules et de payer pour en faire le développement. De plus, la photo transmise à l'ordinateur, peut être retouchée. Une imprimante couleur de bonne qualité procurer, par la suite, de bonnes photos sur papier.

3.14 Périphériques de sortie 3.14.1 L'écran ou le moniteur

Nous venons de voir une série de périphériques d'entrée, voyons maintenant les périphériques de sortie. Nous en retrouvons principalement deux, l'écran et l'imprimante

L'écran, aussi appelé moniteur, affiche une image dont la netteté dépend de la résolution. Si l'image est composée de petits points, elle sera plus claire. Si les points sont plus gros, elle sera par le fait même beaucoup moins claire. Chacun de ses points s'appelle un pixel.

Les moniteurs (écrans d'ordinateur) sont la plupart du temps des tubes cathodiques, c'est-à-dire un tube en verre dans lequel un canon à électrons émet des électrons dirigés par un champ magnétique vers un écran sur lequel il y a de petits éléments phosphorescents (luminophores) constituant des points (pixels) émettant de la lumière lorsque les électrons viennent les heurter.

Le champ magnétique dévie les électrons de gauche à droite afin de créer un balayage, puis vers le bas une fois arrivé en bout de ligne.

Ce balayage n'est pas perçu par l'oeil humain. Grâce à la persistance rétinienne, essayez par exemple d'agiter votre main devant votre écran pour visualiser ce phénomène. Vous voyez votre main en plusieurs exemplaires.


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