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Chapitre 1 Historique et évolution des ordinateurs.

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1 Chapitre 1 Historique et évolution des ordinateurs

2 Djamal Rebaïne2 Repères historiques Les premiers registres - Abaque: première tablette à calculer en Mésopotamie - Boulier: vers 3500 av. J.C en Chine Pas damélioration jusquau 17ème siècle. 1614: John Napier (Écosse) découvre les logarithmes: multiplications et la division transformées en une successions dadditions.

3 Djamal Rebaïne3 1620: mise en œuvre de cette invention au moyen de la règle à calcul. Les machines à calculer 1623: machine de Schickard (Allemagne): fonctionnement mécanique basé sur le principe de tiges proportionnelles aux log. des nombres impliqués dans ces opérations.

4 Djamal Rebaïne4 1643: Pascaline de Pascal (France): fonctionnement mécanique à système de roues à ergot. Additions + soustractions et faisait aussi des reports. 1673: amélioration de la Pascaline par Leibniz (Allemagne). Effectue les quatre opérations de base + extraction de racines carrées. Non construite faute de moyens financiers.

5 Djamal Rebaïne5 Machines à cartes perforées 1801: industrie de textile (France) Jacquard et Falcon 1887: Hollerith (USA) machine à lire des cartes (CENSUS MACHINE) utilisée dans le recensement aux USA. Ordinateur primitif 1830: Charles Babbage – machine à différences- utilise les principes de report de la Pascaline combinés avec les cartes perforées de Jacquard.

6 Djamal Rebaïne6 1834: Charles Babbage- machine analytique- système de numérotation décimal; accepte des nombres de 50 chiffres et en résultat, un nombre de 100 chiffres (imprimé, cartes perforées, courbe) - projet non finalisé. Cette machine réunissait déjà des fonctions automatiques essentielles: mémoire- dispositifs de calcul - fonction de commande et dentrée-sortie

7 Djamal Rebaïne7 La machine analytique de C. Babbage

8 Djamal Rebaïne8 1930: L'Enigma et les Bombes Composée d'un clavier, de 26 lampes pour représenter l'alphabet et généralement de 3 rotors, lEnigma était destinée à l'origine à crypter des documents d'affaires ABC par J. ATANASHOFF et Clifford BERRY. Ce calculateur a été le premier à utiliser le système binaire et était capable de résoudre des équations à 29 variables.

9 Djamal Rebaïne Z3 par K. ZUSE. Composé de 2600 relais, d'un lecteur de bandes et d'une console pour l'opérateur, sa mémoire pouvait contenir 64 nombres de 22 chiffres exprimés en virgule flottante. Il réalisait une multiplication en trois à cinq secondes.

10 Djamal Rebaïne ASCC ou Harvard MARK 1 par H. AIKEN. Cette machine, construite en collaboration avec IBM, utilise un principe inspiré par les travaux de C. BABBAGE. Composée de éléments, elle pesait 5 tonnes et avait besoin de plusieurs tonnes de glace par jour pour la refroidir. Ses performances et sa fiabilité étaient remarquables mais elle ne pouvait effectuer aucun saut conditionnel.

11 Djamal Rebaïne Colossus I Composé de lampes et d'un lecteur de bandes capable de lire 5000 caractères à la seconde. Ce calculateur électronique anglais a été conçu pour décoder les messages chiffrés par la machine de Lorentz allemande qui était un téléscripteur doté de rotors (utilisant un principe assez proche de lEnigma).

12 Djamal Rebaïne ENIAC, par J. ECKERT et J. MAUCHLY (Electronic Numerical Integrator and Computer) Commandé par l'armée des États-Unis en 1943 pour effectuer les calculs de balistique, il remplaçait 200 personnes chargées auparavant de calculer les tables de tir. Il occupait 23 m³, pesait 30 tonnes, coûtait un million de dollars.

13 Djamal Rebaïne13 La machine ENIAC pesait 30 tonnes

14 Djamal Rebaïne14 La machine ENIAC est disposée en U de 6 mètres de largeur par 12 mètres de longueur.

15 Djamal Rebaïne : IBM SSEC, par Wallace Eckert (Selective Sequence Electronic Calculator) Ce calculateur composé de relais et de tubes a servi pour le calcul de tables de positions de la lune, mais a surtout été une vitrine technologique (il était d'ailleurs visible par le public) pour IBM.

16 Djamal Rebaïne : Manchester Mark 1 (ou Ferranti Mark I) Bâtie sur des plans de J. NEUMANN par une équipe anglaise. Ce prototype est le premier à disposer d'une unité de commande interne et à suivre un programme enregistré. C'est sur cette machine de 1300 tubes qu'est utilisée pour la première fois la mémoire à tubes Williams.

17 Djamal Rebaïne : EDSAC, par Maurice WILKES (Electronic Delay Storage Automatic Computer) Cet ordinateur numérique et électronique est basé sur l'architecture de J. NEUMANN. Composé de 3000 tubes et consommant 30KW, il utilise une mémoire de type "lignes de retard à mercure". Il s'agit d'une machine parfaitement opérationnelle qui a été construite dans un laboratoire de l'Université de Cambridge en Angleterre.

18 Djamal Rebaïne : Whirlwind Premier ordinateur "temps réel " 1955: Premier calculateur transistorisé: TRADIC 1960: PDP-1 (Programmed Data Processor) C'est le précurseur des "minis". Vendu pour $ (une fraction du coût d'un ordinateur de l'époque) et livré sans logiciels, il était plutôt ciblé pour les scientifiques et les ingénieurs.

19 Djamal Rebaïne : IBM 1401: Utilisant des transistors et des mémoire à tores de ferrite, fourni avec un générateur d'applications (RPG) destiné à en faciliter l'utilisation, cet ordinateur a marqué une étape dans l'ère de la comptabilité. L'imprimante (1403) associée était d'une rapidité exceptionnelle (600 lignes par minutes !). IBM avait tablé sur un millier de ventes... plus de exemplaires seront vendus

20 Djamal Rebaïne : IBM System/360: Alors que tous ses ordinateurs utilisaient des architectures et logiciels incompatibles entre eux, IBM décida d'investir plusieurs millions de dollars et de développer une gamme entièrement nouvelle : 6 ordinateurs et 44 périphériques, ayant des capacités différentes mais tous compatibles entre eux. La technologie utilisée, loin d'être innovante, était transistors et mémoire à tores.

21 Djamal Rebaïne : Premier mini-ordinateur diffusé massivement: PDP-8 de DEC 1973: Micral-N de R2E C'est le premier micro-ordinateur du monde, il a été inventé par A. TRUONG, fondateur de R2E: une petite société française

22 Djamal Rebaïne : l'Alto (renommé Xerox Star en 1981) de XEROX Ce prototype, pensé pour devenir le bureau du futur, est un condensé des idées proposées par les chercheurs réunis par XEROX au Palo-Alto Research Center (PARC). Il est le premier à introduire l'idée de fenêtres et d'icônes que l'on peut gérer grâce à une souris. Principalement, en raison de son coût, cet ordinateur ne connaîtra qu'un succès d'estime.

23 Djamal Rebaïne : Altair 8800 de ED. ROBERTS (MITS) Il est considéré par les Américains comme le premier micro-ordinateur du monde, bien que ce soit le Micral-N. Cependant, c'est pour l'Altair que sera le premier BASIC Microsoft. 1976: CRAY I: Créé par Saymour CRAY, c'est le premier ordinateur à architecture vectorielle.

24 Djamal Rebaïne : DEC VAX 11/780 (Virtual Address eXtension) Premier modèle de "supermini", cet ordinateur 32 bits pouvait exécuter des programmes écrits pour le PDP-11. Il avait aussi suffisamment de ressources pour supporter des applications qui étaient jusqu'ici réservées aux gros mainframes. Il reste aussi célèbre pour son système d'exploitation VMS

25 Djamal Rebaïne : Cray X-MP Composé de deux Cray I mis en parallèle, il est 3 fois plus puissant que celui-ci.

26 Djamal Rebaïne : IBM-PC (Personnal Computer) Cet ordinateur, qui n'apporte aucune idée révolutionnaire, est la réaction du n°1 mondial face à la micro- informatique : Il était fait d'une accumulation de composants standards et de logiciels sous-traités (principalement auprès de Microsoft) dans le but de minimiser le temps nécessaire pour sa mise au point.

27 Djamal Rebaïne : Lisa d'APPLE Steve JOBS, très intéressé par l'Alto reprendra la plupart des idées de celui-ci pour le compte d'APPLE, en particulier la notion d'interface graphique (GUI) et l'utilisation de la souris. Cependant, ce micro-ordinateur ne connaîtra pas non plus de succès commercial.

28 Djamal Rebaïne : Amiga Utilisant un microprocesseur Motorola 680x0, ce micro-ordinateur reste parmi les leaders pour ce qui est du graphisme et de la musique. 1984: Macintosh d'APPLE. Basé sur le projet LISA, c'est l'ordinateur convivial par excellence: Son utilisation est très simple grâce à la souris et à la qualité de ses graphismes. Il devient au fil des années, et des différentes versions, l'autre grand standard (avec le PC d'IBM) du monde de la micro-informatique.

29 Djamal Rebaïne : Cray II : Miniaturisé, il est 10 fois plus puissant que son prédécesseur, le Cray I. 1986: The Connection Machine Premier ordinateur "massivement parallèle" composé de processeurs. 1994: Paragon d'Intel. Coûtant 20 Millions de dollars, occupant un volume de 48m3, il est composé de 2000 processeurs et de 64 Giga-octets de mémoire. Il peut effectuer

30 Djamal Rebaïne milliards d'opérations en virgule flottante par seconde 1994: PowerMac d'APPLE Basé sur le microprocesseur POWER-PC réalisé par Motorola en collaboration avec IBM, il était présenté comme le successeur commun du PC et du MAC. Cependant, malgré de très bonnes performances, il tarde à s'imposer.

31 Djamal Rebaïne : iMac d'APPLE L'iMac était l'ordinateur d'Apple pour le nouveau millénaire. Il a également marqué le retour d'Apple (et de MacOS) au devant de la scène. C'est l'ordinateur le plus original depuis le premier Mac de 1984: Design très particulier, écran et unité centrale intégrés dans un seul boîtier, ports USB et pas de lecteur de disquette interne.

32 Djamal Rebaïne32 Ordinateur et changements technologiques Première génération: Tubes électroniques (lampes à vide) Deuxième génération: transistors Troisième génération: circuits intégrés Quatrième génération: microprocesseurs. Cinquième génération: intelligence artificielle.

33 Djamal Rebaïne33 Première génération Ordinateur à cartes perforées et à bandes magnétiques Programmation physique en langage machine Appareils immenses, lourds, énergie élevée Utilisation de tubes à vide et à mémoires à tambour magnétique Prix élevé / capacité et performance.

34 Djamal Rebaïne34 Deuxième génération Utilisation de transistors et des mémoires à ferrite. Utilisation de mémoires de masse pour le stockage périphérique. Temps daccès moyen (de lordre de la micro-seconde). Fonctionnement séquentiel des systèmes de programmation (langages évolués).

35 Djamal Rebaïne35 Troisième génération Miniaturisation des composants (circuits intégrés) Apparition des systèmes dexploitation Concepts de temps partagés Machines polyvalentes et de capacité variée Appareils modulaires et extensibles Multitraitement (plusieurs programmes à la fois) Télétraitement (accès par téléphone)

36 Djamal Rebaïne36 Quatrième génération Miniaturisation extrêmes des composants Apparition des microprocesseurs Diversification des champs dapplication Apparition de la micro-informatique Laspect logiciel prend le pas sur laspect matériel

37 Djamal Rebaïne37 Cinquième génération Miniaturisation des composants poussée à lextrême Vitesse proche de celle de la lumière. Nouvelle architecture physique Possibilité de choix dordre des vecteurs séquentiels à traiter Vitesse de traitement augmentée jusquau gigalips (Logical Inference: de 100 à 1000 instructions)

38 Djamal Rebaïne38 Processeurs en parallèle Nouvelles structures et représentations des données. Ajout du traitement de laspect sémantique à celui de laspect syntaxique de linformation Ordinateurs à photons

39 Djamal Rebaïne39 Alternatives à cette classification 1- architectures et conception (PC compatibles vs. Apple) 2- super-ordinateurs: SIMD vs. MIMD 3- RISC vs. CISC 4- taille: super, gros, mini, station ou micro ordinateurs 5- …, etc.

40 Djamal Rebaïne40 Évolution de la programmation Ada Byron ( ): première programmatrice pour la machine de Babbage Adèle Goldstine: programme pour ENIAC en Les premiers programmes en Langage machine (0 et 1) Langage symboliques: assembleurs

41 Djamal Rebaïne41 Fortran (Formula Translator) vers 1950 par J. Backus. Apparurent aussi des langages spécialisés comme le GPSS (simulation) et APT (commande de machines à outils) Vers la fin de 1950: - Algol: notion de blocs

42 Djamal Rebaïne42 Cobol: applications de gestion. PL/1: dans le but de traiter plusieurs genres dapplications (universels). Apparurent ensuite les langages Pascal, Modula, C,... La micro-informatique a répandu le Basic Langages fonctionnels (Lisp): utilisé dans le traitement des expressions symboliques Langages Logiques (Prolog): intelligence artificielle; pouvoir dinférence Langages interrogatifs (bases de donnée) tels SQL

43 Djamal Rebaïne43 Dautres types de langages sont apparus, tels ceux de description: le langage HTML (Hyper Text Markup Language: permet de décrire un document dans le but de le visionner dans un navigateur internet). Il existe aussi des langages permettant de piloter dautres éléments tels les langages de script dans UNIX.

44 Djamal Rebaïne44 Structure des ordinateurs John Von Neumann est à l'origine (1946) d'un modèle de machine universelle (non spécialisée) qui caractérise les machines possédant les éléments suivants : une mémoire contenant programme (instructions) et données, une unité arithmétique et logique (UAL ou ALU en anglais), une unité de commande (UC).

45 Djamal Rebaïne45 une unité permettant l'échange d'information avec les périphériques : l'unité d'entrée/sortie (E/S ou I/O), ( clavier, lecteur de cartes perforées, ruban,... écran, imprimante, cartes perforées,....)

46 Djamal Rebaïne46 Caractéristiques de la machine de J. Von Neumann Machine contrôlée par programme Programme enregistré en mémoire Instruction du programme codée sous forme binaire Le programme peut modifier ses instructions Exécution des instructions en séquence Existence dinstructions de rupture de séquence.

47 Djamal Rebaïne47 Schéma de la machine de Von Neuman UAL = unité arithmétique et logique

48 Djamal Rebaïne48 Ces dispositifs permettent la mise en oeuvre des fonctions de base d'un ordinateur : le stockage de données, le traitement des données, le mouvement des données et le contrôle. Le fonctionnement schématique en est le suivant : Unité de Commande 1. extrait une instruction de la mémoire, 2. analyse l'instruction, 3. recherche dans la mémoire les données concernées par l'instruction, 4. déclenche l'opération adéquate sur lUAL ou l'E/S,

49 Djamal Rebaïne49 5. range au besoin le résultat dans la mémoire. ! La majorité des machines actuelles s'appuient sur le modèle Von Neumann

50 Djamal Rebaïne50 Quelques mots sur la mémoire Carte perforée à 80 colonnes (IBM) Ce système qui deviendra un standard est la généralisation de la carte perforée qui est à l'origine de la compagnie. Mémoires à tubes Williams Développée par F. C. Williams, ce type de mémoire utilise les charges résiduelles laissées sur l'écran d'un tube cathodique après qu'il ait été frappé par le faisceau d'électron.

51 Djamal Rebaïne51 Bande magnétique Mémoires vives à tores de ferrite Pendant une petite vingtaine d'année, ce principe de mémoire sera le plus utilisé avant d'être remplacé par la mémoire à semi-conducteurs. Tambour magnétique Disque magnétique Aussi appelé disque dur, ce type de support deviendra incontournable lorsqu'il prendra sa forme actuelle en 1974: Le disque Winchester.

52 Djamal Rebaïne52 Mémoires à semi-conducteurs Disques souples Mémoire magnétique à bulles (Intel) Mise au point par Intel Magnetics, c'est une technologie qui offrait une très grande fiabilité même dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Disque Opto-Numérique (aussi appelé Compact Disc ou Disque Optique Compact) Disque de plastique de 12 cm de diamètre et 1,2 mm d'épaisseur lu par un faisceau laser

53 Djamal Rebaïne53 où l'on peut stocker environ 75 minutes de musique. Son succès, outre son format, vient de l'exceptionnelle qualité de reproduction sonore, de sa faible fragilité ainsi que de son inusabilité pas de contact).

54 Djamal Rebaïne54 CD-ROM (Sony et Philips) (Compact Disc Read Only Memory) - Cédérom en français Version informatique du CD permettant de stocker à la fois du texte, des images, des sons... Sa capacité était exceptionnelle pour l'époque: 680 Mo. R.N.I.S (Réseau Numérique à Intégration de Services) - Baptisé Numéris par France Télécom

55 Djamal Rebaïne55 Réseau publique (comme le Réseau Téléphonique Commuté) où toutes les données (voix, images, données informatiques...) circulent en numérique DVD-ROM (Sony et Philips): Successeur annoncé du CD-ROM dont il reprend exactement le format physique. Sa capacité est par contre multipliée par 12 et passe à environ 8,5 Go.

56 Les Clés USB Il s'agit simplement d'une puce mémoire avec un connecteur USB. L'ensemble à la taille d'une clé (et peut d'ailleurs se mettre en porte-clé) ce qui a donné son nom. Les capacités actuelles dépassent celles d'un CD-ROM avec l'avantage d'être réinscriptible à volonté.

57 Djamal Rebaïne57 Quelques mots sur les systèmes dexploitation Définition Un système d'exploitation (SE; en anglais: OS = operating system) est un ensemble de programmes de gestion du système qui permet de gérer les éléments fondamentaux de l'ordinateur: le matériel - les logiciels - la mémoire - les données – les réseaux.

58 Djamal Rebaïne58 Fonctions dun système dexploitation Gestion de la mémoire Gestion des systèmes de fichiers Gestion des processus Mécanismes de synchronisation Gestion des périphériques Gestion du réseau Gestion de la sécurité.

59 Djamal Rebaïne59 Un exemple Soit la commande suivante: emacs monfichier.txt Juste après avoir tapé le fatidique, le système d'exploitation est mis à contribution. A savoir qu'il doit ; 1) aller chercher sur le disque dur un fichier qui s'appelle emacs et qui doit être impérativement un fichier d'instruction à exécuter (fichier exécutable ou "binaire"). 2) aller chercher sur le disque dur un fichier qui s'appelle monfichier.txt et rattacher ledit fichier à l'exécutable emacs en tant que fichier de données.

60 Djamal Rebaïne60 3) trouver une place en mémoire RAM pour y placer tout ou partie de emacs de telle manière qu'il soit effectivement exécutable et une place en RAM pour y placer tout ou partie du fichier monfichier.txt. Trouver une place en RAM pour y mettre une zone de communication avec emacs. Le SE et emacs doivent communiquer entre eux afin de s'informer (entre autres choses) du bon déroulement des opérations.

61 Djamal Rebaïne61 4) Si les fichiers emacs et monfichier.txt sont trop gros pour la place disponible en RAM, le SE se charge de ne mettre en mémoire vive que la partie des fichiers effectivement utile à l'instant t pour le processeur. Dès qu'une autre partie du fichier devient utile la partie précédente est effacée de la RAM, et la zone "utile" est recopiée à sa place. Cette technique s'appelle le "swapping".

62 Djamal Rebaïne62 Il existe actuellement plus de 193 systèmes dexploitation dans 27 langues Quelques exemples UNIX VMS MS-DOS Win 9X = désigne les Windows Me, héritiers de MS-DOS et Win 3.1. Il n'a aura plus de nouvelles versions. Cette gamme est remplacée par Win XP home.

63 Djamal Rebaïne63 Windows NT est le système dexploitation Microsoft conçu pour se passer de MS-DOS, tout en gardant une grande compatibilité avec les logiciels écrits pour MS-DOS, Win 3 et plus tard Win 9X (= Win 4.0). Windows 2000 est le nom commercial de Win NT 5.0, et Win XP celui de NT 5.1 Pour ceux qui confondent : Win 2000, n'est pas le successeur technique de Win 98 : Win 98 a besoin de MS-DOS pour démarrer. Win NT-2000-XP l'émule dans une machine virtuelle.

64 Djamal Rebaïne64 les périphériques d'entrée-sortie (par exemple les cartes d'extension) varient d'un modèle d'ordinateur à un autre. Il faut donc un système qui puisse unifier l'écriture des instructions gérant le matériel. Ainsi, lorsqu'un programme désire afficher des informations à l'écran, il n'a pas besoin d'envoyer des informations spécifiques à la carte graphique (il faudrait que chaque programme prenne en compte la programmation de chaque carte...), il envoie les informations au système d'exploitation, qui se charge de les transmettre au périphérique concerné...

65 Djamal Rebaïne65 La communication avec le système d'exploitation s'établit par l'intermédiaire d'un langage de commandes et un interpréteur de commandes. Cela permet à l'utilisateur de piloter les périphériques en ignorant tout des caractéristiques du matériel qu'il utilise, de la gestion des adresses physiques...

66 Djamal Rebaïne66 Le systèmes multi-tâches Les système d'exploitation multi-tâches permettent de partager le temps du processeur pour plusieurs programmes, ainsi ceux-ci sembleront s'exécuter simultanément. Pour réaliser ce processus, les applications sont découpées en séquence d'instructions appelées tâches ou processus. Ces tâches seront tour à tour actives, en attente, suspendues ou détruites, suivant la priorité qui leur est associée.

67 Djamal Rebaïne67 Un système est dit préemptif lorsqu'il possède un Ordonnanceur (aussi appelé planificateur ou scheduler), qui répartit, selon des critères de priorité le temps machine entre les différentes tâches qui en font la demande. Le système est dit à temps partagé lorsqu'un quota de temps est alloué à chaque processus par l'ordonnanceur. Cela est notamment le cas des systèmes multi- utilisateurs qui permettent à plusieurs utilisateurs d'utiliser simultanément sur une même machine des applications similaires.

68 Djamal Rebaïne68 Le système est alors dit "système transactionnel". Dans ce cas, le système alloue à chaque utilisateur une tranche de temps (quantum de temps). Systèmes multi-processeurs Ces systèmes sont nécessairement multi-tâches puisqu'on leur demande d'une part de pouvoir exécuter simultanément plusieurs applications, mais surtout d'organiser leur exécution sur les différents processeurs (qui peuvent être identiques ou non). Ces systèmes peuvent être soit architecturés autour d'un processeur central qui coordonne les autres

69 Djamal Rebaïne69 processeurs, soit avec des processeurs indépendants qui possèdent chacun leur système d'exploitation, ce qui leur vaut de communiquer entre eux par l'intermédiaire de protocoles.

70 Djamal Rebaïne70 Les types de systèmes d'exploitation deux types de systèmes d'exploitation: les systèmes 16 bits et les systèmes 32 bits. - DOS codage sur 16 bits mono-utilisateur - Windows 3.1 codage sur 16/32 bits multi- tâche préemptif - Windows 95/98/Me 32 bits multi-tâches préemptif - Windows NT/ bits multi-tâches préemptif - Unix 32 bits multi-tâches préemptif - VMS 32 bits muli-tâches préemptif

71 Djamal Rebaïne71 Pour en savoir plus Moreau, René (1982): ainsi naquit linformatique, les hommes, les matériels à lorigine des concepts de linformatique daujourdhui, deuxième édition, Dunod. Randell, Brian (1982): the origin of digital computers: selected papers; Springer Verlag Les ordinateurs de cinquième génération; MICRO-SYSTEMS, février Des photons dans lordinateurs, MICRO- SYSTEMS, décembre 1983

72 Djamal Rebaïne72 Machines pensantes, DIMENSIONS SYSTEMS, Les calculateurs analogiques, MICRO- SYSTEMS, juillet-août Pour la science: spécial informatique du futur. No. 122, décembre Pour la science: Linformatique des années 90, No. Spécial 72. Pour la science: communication, ordinateurs et réseaux, numéro spécial, 1991.

73 Djamal Rebaïne73 R. Keyes: Lavenir du transistor; pour la science, août Une adresse de site utile


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