Introduction à l'informatique Architecture Licence 1 - Octobre 2007

But de ce cours Pas faire de vous des experts en informatique Plutôt vous donner une culture générale et des outils pour votre futur métier !

Objectifs Vous expliquer les notions fondamentales Vous en faire percevoir les différentes facettes de façon (relativement ...) simple Vous montrer qu'il n'y a pas de magie Démonter tous les mécanismes intervenants Si vous ne comprenez pas quelque chose... INTERVENEZ !

Introduction L'informatique est présente partout : - études (support d'apprentissage)‏ - maison (communication, bureautique)‏ - faits de société (brevets, Microsoft,…)‏ Le public se fait souvent une fausse idée : ordinateur = engin intelligent… C'est FAUX !

Définition Machine électronique de traitement de l'information capable d'exécuter un ensemble d'instructions (programme) préalablement enregistré dans sa mémoire. Anglais : computer

Pour quoi faire ? Taper un rapport Éditer ses photos de vacances Calculer sa moyenne, sa feuille d'impôt Jouer Naviguer sur Internet … Utiliser des LOGICIELS qui servent à créer, à transformer et à éditer des données ...

Principe de base

Architecture

Différents ordinateurs PC (Personal Computer)‏ Macintosh Mainframe (Gros systèmes)‏ etc.

Architecture modulaire Carte mère Processeur Mémoire vive Disque dur Ecran Périphériques Lecteurs Commentaire de la 5 Dans la mesure où le processeur rayonne thermiquement, il est nécessaire d'en dissiper la chaleur pour éviter que ses circuits ne fondent. Le dissipateur thermique comporte une base en contact avec le processeur et des ailettes afin d'augmenter la surface d'échange thermique. Un ventilateur accompagne généralement le dissipateur pour améliorer la circulation de l'air autour du dissipateur et améliorer l'échange de chaleur. Il existe plusieurs sortes de connecteurs : connecteur ISA (Industry Standard Architecture) : permettant de connecter des cartes ISA, les plus lentes fonctionnant en 16-bit connecteur PCI (Peripheral Component InterConnect) : permettant de connecter des cartes PCI, beaucoup plus rapides que les cartes ISA et fonctionnant en 32-bit connecteur AGP (Accelerated Graphic Port): un connecteur rapide pour carte graphique. On appelle bus, le canal permettant de transférer des données entre deux éléments. Le bus système est le canal (pistes de la carte mère) reliant le microprocesseur à la mémoire vive du système. Un bus est caractérisé par sa largeur, c'est-à-dire le nombre de bits pouvant être simultanément transmis, et par sa fréquence, c'est-à-dire la cadence à laquelle les paquets de bits peuvent être transmis. Le CMOS est continuellement alimentée par une pile (au format pile bouton) située également sur la carte mère. Ainsi, les informations sur le matériel installé dans l'ordinateur (comme par exemple le nombre de pistes, de secteurs de chaque disque dur) sont conservées dans le CMOS.

Jetons un coup d'œil a l'intérieur ... Sous le capot… Jetons un coup d'œil a l'intérieur ...

Vue d'ensemble

Le matériel… …plus en détails

Carte mère L’interface : le BIOS Support CPU et “Chipset” Les “slots” :AGP, PCI (-express), ISA La pile (batterie)‏ Et surtout, le BUS… Le chipset (traduisez jeu de composants) est un circuit électronique chargé de coordonner les échanges de données entre les divers composants de l'ordinateur (processeur, mémoire. Certains chipsets intègrent parfois une puce graphique ou une puce audio (généralement sur les PC bas de gamme), il est généralement conseillé de les désactiver (lorsque cela est possible) dans le setup du BIOS et d'installer des cartes d'extension dans les emplacements prévus à cet effet ! Le BIOS (Basic Input/Output System) est le programme basique servant d'interface entre le système d'exploitation et la carte-mère. Le BIOS est stocké dans une ROM (mémoire morte, c'est-à-dire une mémoire en lecture seule), ainsi il utilise les données contenues dans le CMOS pour connaître la configuration matérielle du système. On distingue deux catégories de supports : slot : il s'agit d'un connecteur rectangulaire dans lequel on enfiche le processeur verticalement socket : il s'agit d'un connecteur carré possédant un grand nombre de petits connecteurs sur lequel le processeur vient directement s'enficher

La carte mère

Processeur(s)‏ Caractéristiques Performances Consommation Architecture : RISC (Sparc), CISC (Intel), ... Un ou plusieurs processeurs, multi-coeurs (core)‏ Fréquence et vitesse d’horloge La mémoire interne : le cache Performances Consommation Exemples : Intel P4, Motorola PowerPC, SUN UltraSPARC III Le processeur (CPU: Central Processing Unit) est un circuit électronique cadencée au rythme d'une horloge interne, c'est-à-dire un élément qui envoie des impulsions (que l'on appelle top). A chaque top d'horloge les éléments de l'ordinateur accomplissent une action. La vitesse de cette horloge (le nombre de battements par secondes) s'exprime en Mégahertz, ainsi un ordinateur à 200Mhz a donc une horloge envoyant 200,000,000 de battements par seconde (un cristal de quartz soumis à un courant électrique permet d'envoyer des impulsions à une fréquence précise). L'horloge temps réel (parfois notée RTC, ou real time clock) est un circuit chargé de la synchronisation des signaux du système. Elle est constituée d'un cristal qui, en vibrant, donne des impulsions (appelés tops d'horloge) afin de cadencer le système. On appelle fréquence de l'horloge (exprimée en Mhz) le nombre de vibrations du cristal par seconde, c'est-à-dire le nombre de tops d'horloge émis par seconde. Plus la fréquence est élevée, plus il y a de tops d'horloge et donc plus le système pourra traiter d'informations. La mémoire-cache permet au processeur de se "rappeler" les opérations déjà effectuées auparavant. En effet, elle stocke les opérations effectuées par le processeur, pour qu'il ne perde pas de temps à recalculer des choses qu'il a déjà faites précédemment. La taille de la mémoire-cache est généralement de l'ordre de 512 Ko. Sur les ordinateurs récents ce type de mémoire est directement intégré dans le processeur.

Architecture classique d’un processeur Cycle classique 1- lire une instruction (à l’adresse indiquée)‏ 2- décoder l’instruction calculer (éventuellement) les adresses des opérandes et les lire 3- exécuter l’instruction 4- écrire (éventuellement) le résultat en mémoire

Architecture classique d’un processeur Ce qui suit est une description très schématique, c'est en fait beaucoup plus compliqué et des fois ça se passe dans un ordre différent, ou il faut plusieurs cycles pour calculer les adresses des opérandes et les charger … 1- 3 bus assurent la communication du processeur avec le reste de l'ordinateur : le bus des adresses pour sélectionner un mot en mémoire (ou un port)‏ les bus des données le bus de contrôle (interruptions, dir si la mémoire est accédée en lecture ou en écriture, synchronisation …)‏ 2- Dans un premier temps (d'un cycle) un mot mémoire sélectionné par la valeur du compteur ordinal est chargé dans un tampon d'instruction via le bus des données. 3- Il est ensuite décodé : le code op sélectionne une opération UAL (par exemple), les adresses des opérandes servent à désigner les registres concernés ou les mots mémoires concernés, le bus de contrôle est éventuellement activé pour dire qu'il s'agit d'un accès mémoire)‏ 4-les données sont chargées (depuis la mémoire ou les registres généraux) dans les registres de l'UAL 5- le résultat est chargé dans un registre UAL, un éventuel code d'erreur est rangé dans le registre de flags. 6- ce résultat est écris en mémoire ou dans un registre général … Encore une fois c'est très schématique … Schéma classique simplifié données contrôle adresses adresses UAL registres données registres données UAL mémoire données registre instruction registre instruction décodeur décodeur contrôle

Le processeur

Le BUS Sa vitesse est prépondérante ! Gère les communications entre les différentes unités fonctionnelles : processeur, mémoire, contrôleur de disques, carte graphique, etc. Sa vitesse est prépondérante !

Structure d'un ordinateur bus des données RAM ROM E/S écran clavier disques bus de contrôle processeur bus des adresses

Communiquer bus interne au processeur bus pour le cache communication entre les unités fonctionnelles fils + circuits pour la synchronisation vitesse de communication : fréquence du processeur bus pour le cache communication entre un cache externe et le processeur vitesse de communication : proche de celle du processeur

La mémoire

Mémoriser _ + Vitesse Capacité Coût Proximité du processeur _ + Critères d'évaluation des mémoires Temps d'accès Capacité Coût par bit Registres Vitesse Capacité Plusieurs niveaux Mémoire cache Une autre fonction importante des circuits est de pouvoir mémoriser les opérandes et le résultat d'une opération ... cette possibilité de mémoriser des choses se retrouve à plusieurs niveaux en informatique .... Différentes technologies Coût Mémoire centrale Proximité du processeur Mémoire de masse _ +

Mémoriser Registres Mémoire cache Mémoire centrale Mémoire de masse Conservation des informations proche de l’UAL Stockage des opérandes et des résultats intermédiaires Mémoire cache Tampon entre l'unité centrale et la mémoire centrale Accélération des accès Mémoire centrale Organe principal de rangement des informations utilisées par l'unité centrale (instructions et données)‏ Une autre fonction importante des circuits est de pouvoir mémoriser les opérandes et le résultat d'une opération ... cette possibilité de mémoriser des choses se retrouve à plusieurs niveaux en informatique .... Mémoire vive (RAM – Random Access Memory)‏ Mémoire morte (ROM – Read Only Memory)‏ Mémoire de masse Disques durs Disquettes, CD-ROM Bandes magnétiques CD-ROM spéciaux

Mémoriser } } - mémoires mortes Mémoire = ensemble de composants électroniques capables de mémoriser chacun un bit La mémoire doit conserver la trace du passage du courant Il existe plusieurs technologies permettant de conserver la trace du courant, correspondant à plusieurs types de mémoire. } ROM : infos conservées même hors alimentation électrique - mémoires mortes - mémoires statiques - mémoires dynamiques - mémoires de masse : magnétiques ou optiques RAM : infos perdues hors alimentation électrique }

Mémoriser mémoires dynamiques Les mémoires statiques (SRAM – Static RAM) sont rapides... ... mais chères ... Mémoires dynamiques (DRAM – Dynamic RAM)‏ - un seul transistor couplé à un condensateur pour stocker un bit (≠ 6 transistors par bit en SRAM)‏ le condensateur se décharge progressivement entrainant la perte de l'information le circuit doit être rafraîchi périodiquement (plusieurs milliers de fois par seconde)‏ pour chaque bit : lire sa valeur et la réécrire immédiatement Pour éviter d'utiliser plein de transistors (qui sont + difficiles à graver et qui prennent de la place sur une puce) on préfère pour de grosses quantités de mémoire utiliser des condensateurs. Un condensateur est une plaque isolante placée entre 2 plaques conductrices. Quand on applique une différence de potentiel entre les 2 plaques conductrices, aucun électron ne passe de l'une à l'autre puisqu'elles sont séparées par un isolant. Mais les charges électriques viennent s'accumuler en grande quantité dans les deux plaques conductrices car les charges s'attirent à travers l'isolant. Un des problèmes avec les condensateurs, c'est que, comme ils sont de très petite taille, ils se déchargent spontanément en une fraction de seconde (de l'ordre de la milli-seconde ou moins !), entrainant la eprte de l'information : on doit donc rafraîchir les valeurs enregistrées périodiquement ... Rafraîchissement de la mémoire = opération consistant à régénérer l'information avant qu'elle ne soit perdue. Il faut donc pédioriquement lire le signal (la charge du condensateur), l'amplifier et la réécrire. Pendant la rafraîchissement, la mémoire n'est plus disponible. Notons donc que la lecture est d'une telle mémoire est destructive : il faut donc immédiatement réécrire ce qu'on vient de lire. Pour toutes ces raisons, on appelle ceci de la mémoire dynamique indiquant par là que la lecture et la conservation de la mémoire sont le résultat de « processus actifs ».

Mémoriser SRAM DRAM mémoires statiques / dynamiques LES - plus rapide - plus coûteuse - taille plus importante DRAM - circuit de rafraîchissement → plus lente - fabrication plus simple → moins coûteuse - densité d'intégration plus grande (facteur 4)‏ Utilisée pour les caches Utilisée pour la mémoire centrale Les SRAM ne nécessitent pas de rafraichissement (la durée n'est toutefois pas illimitée, de l'ordre de quelques heures à quelques jours, mais suffisante pour l'usage). Le rafraichissement ayant un coût en temps, cela explique pourquoi la DRAM est plus lente que la SRAM. Notons que les mémoires peuvent être sujette à des erreurs. Elles disposent donc de mécanismes de détection (parité) ou de correction d'erreurs (comme vu précédemment). LES

La mémoire vive

{ Mémoriser Besoin de mémoire de masse Deux types de mémoire de masse mémoires de masse Besoin de mémoire de masse - dotée (très) grande capacité - pour le stockage permanent de l'information en l'absence de courant (quelques années)‏ Deux types de mémoire de masse On appelle aussi la mémoire de masse la mémoire auxiliaire. Au niveau des mémoires optiques, il existe plusieurs types de disques - les disques réinscriptible - les disques WORM (Write Once Read Many). Comme il n'y a pas de standard pour les WORM (contrairement aux CD, ils ne peuvent lus que par le driver qui les a écrits. - les CD ROM (lus par un lecteur de CD)‏ - les CD RW - les DVD RW Notons qu'il y a deux catégories de mémoires de masse - les fixes - les amovibles Notons également que les progrès technologiques dans ce domaine sont constants avec une capacité mémoire qui est multipliée par deux tous les deux ans. disques durs, disquettes bandes magnétiques { - mémoires magnétiques - mémoires optiques CD-rom, DVD-rom

Le disque dur

De plus près…

Mémoriser supports optiques : disques optiques cuvette dans la pellicule réfléchissante trou dans la pellicule réfléchissante indice de réfraction du substrat transparent Principe : rayon laser envoyé sur une surface réfléchissante. On observe (ou non) un rayon réfléchi. modifiable 1 fois (Recordable)‏ effaçable (Rewritable)‏

Mémoriser hiérarchie mémoire : caractéristiques Taille Temps d’accès (ns)‏ Débit (Mo/sec)‏ Technologie Registres < 1 Ko 0,25 – 0,5 20 000 100 M émoire spécialisée Cache < 16Mo - 25 5 000 10 000 SRAM Mémoire principale < 16 Go 80 250 1000 5000 DRAM de masse > 100 Go 5 000 000 150 S upport magnétique

Les cartes additionnelles Sur les slots de la carte mère Quelques cartes fréquentes : Réseau Vidéo Son SCSI / RAID TV

La carte vidéo

Périphériques entrées/sorties Par définition, un périphérique n'est pas indispensable au démarrage : Clavier / Souris Ecran Scanner, imprimante Webcam Modem

Ports additionnels Permettent de brancher les périphériques Parallèle Série USB PS/2 Firewire ...

Lecteurs CDROM / DVDROM (et graveurs ...)‏ Disquette Bandes magnétiques (sauvegardes)‏ Lecteurs de cartes mémoires

Ecran Taille de la diagonale Résolution (nombre de points)‏ Fréquence de rafraîchissement CRT (tube) vs TFT (plat)‏ TFT : Luminosité, angle de vue, ...

Windows : Le Système d’exploitation

A quoi ça sert ? Interface Homme / Machine Sous-couche d’exécution des programmes Fournit des fonctions plus élaborées

Lesquels ? Le plus répandu : Windows (2000, XP, Vista…)‏ La grande famille des Unix : Linux (RedHat, Ubuntu, Debian, Gentoo, …)‏ SUN Solaris HP/UX SGI Irix FreeBSD, NetBSD, OpenBSD D’autres solutions exotiques : Lindows, Warp

Les caractéristiques Multitâches Multi-utilisateurs Gère les Multi-processeurs (et cores)‏ Non-libre

Le noyau Cœur du système d'exploitation Interface programmes/périphériques Ensemble de routines en mémoire Gère les processus du système Gère la mémoire

NOYAU MACHINE Application Application Application

Commandes de base Utilitaires basiques fournis avec Windows Gestion machine, « drivers » génériques, … Interface utilisateur Programmes utiles Editeurs de textes, d'images, navigateurs, Et encore plein d'autres choses…

Sur le disque dur… Ensemble de fichiers et répertoires Formats : FAT32, NTFS Attention aux fichiers système ! On diviser le disque en plusieurs morceaux : les partitions

Pourquoi un partitionnement ? Classer les données Protéger les données Séparer les systèmes d’exploitations Format des données Descripteur différent Convention de nommage sous Windows : A: (disquette) ,C: (1er DD), D: (CDROM), …

Les pilotes du matériel Sert de traducteur matériel / OS Les plus courant sont déjà installés Mais sinon, on peut tout trouver sur : INTERNET !

Le CD d’installation Contient : Noyau Pilotes génériques (Drivers)‏ Interface Programmes (démineur, navigateur,…)‏ Démarrage d’un mini-sytème à partir du CD C’est là que commencent les ennuis…

Les réseaux

Histoire 1969 Dpt Défense US lance Arpanet : réseau pour la recherche 4 nœuds : UCLA, UCSB, SRI, U. Utah 1971 13 machines sur le réseau 1990 fin d'Arpanet, début d'Internet 1993 1ère interface de navigation : NCSA Mosaic 1994 1er navigateur Netscape, augmentation rapide du nombre de surfers et multiplication des offres Aujourd'hui Des millions de machines sur la planète

Principes Echange de données entre 2 ordinateurs Il faut gommer les différences aux niveaux matériel et logiciel entre les 2 machines Comment se comprennent-ils ? Grâce aux protocoles Données

Protocole Le support physique Le codage Electrique : câble cuivre Ondes : air (faisceau hertzien, wifi ...)‏ Optique : fibre optique Le codage Analogique Numérique

Exemple Votre modem à la maison I N T E R N E T Ordinateur (Numérique)‏ Lignes téléphoniques (Analogique)‏ Provider (Numérique)‏ Modem

Les types de réseaux WAN (Wide Area Network) : réseau national ou international Plusieurs centaines de Km de diamètre MAN (Metropolitan Area Network) : réseau métropolitain Dizaines de Km LAN (Local Area Network) : réseau local Centaines de mètres

Réseau local Quel matériels ? - Hubs (Répéteurs)‏ - Switches (Concentrateurs)‏ - Routeurs

Topologies La plus courante : Réseau Ethernet avec topologie en BUS

Topologies Mais aussi :

Topologies

Internet ? Réseau fédérateur de réseaux Constitué de multitudes de noeuds : Routeurs Serveurs (Web, DNS,…)‏ Ordinateurs personnels …

La numérotation IPv4 Adresse unique par machine sur 32 bits Nom unique par machine Série de 4 nombres entre 0 et 255 Exemple : 130.79.6.50 pour HP_LP1 A décomposer en réseau et machine Réseau : 130.79.6 Machine : 1

Les classes d'adresses Classe A, B, C ou D Les plus courante : Classe C ou 255 adresses comme notre LAN "130.79.6.0" Mais comment faire plus grand/petit ? Pour changer le nombre d'adresses, on change le masque

Notations Adresse + Masque Notation abrégée : CIDR 130.79.6.0 + 255.255.254.0 Notation abrégée : CIDR 130.79.6.0/23

Vos adresses Entre 130.79.6.201 et 130.79.6.225 Mais cela ne suffit pas pour configurer une machine sur le réseau Où sont les autres machines de mon réseau ? Où est le reste du monde ? D’autres infos…

Les bases d' IPv4 (1/2)‏ Passerelle / Gateway Sous-réseau / Subnet 130.79.7.254 C'est la porte de sortie vers d'autres LAN et Internet Sous-réseau / Subnet 130.79.6.0 C'est l'adresse du sous-réseau de la machine Masque de sous-réseau / Subnet Mask 255.255.254.0 Il permet de connaître la taille du sous-réseau

Les bases d' IPv4 (2/2)‏ Diffusion / Broadcast 130.79.7.255 C'est l'adresse réservée à la diffusion massive Boucle locale / Loopback 127.0.0.1 C'est l'adresse locale de la machine

Les services réseau

Le Web World -Wide Web (WWW ou W3 ou 3W ou Web)‏ Projet du CERN en 1989 Notion de document hypertexte liens sur d’autres documents (hyperliens)‏ Messagerie électronique Forums de discussion Échanges de logiciels ou de fichiers (ftp, scp)‏ Connexion et travail à distance (ssh)‏ Recherche sur le Web Documents de tous types (textes, graphiques, images, vidéos, sons…)‏ Chaque document a une adresse unique : adresse URL Ex : http://www-ulp.u-strasbg.fr/bienvenue/index.php

Le Web Les pages sont réalisées avec un langage comme HTML L’accès aux documents se fait avec l’aide de navigateurs (browser)‏ Mosaic (NCSA)‏ Netscape Mozilla Firefox Internet Explorer (Microsoft)‏ La recherche sur le Web se fait grâce à des moteurs de recherche : Google (http://www.google.fr)‏ Yahoo (http://www.yahoo.fr)‏ Lycos (http://www.lycos.fr)‏ …

La résolution de nom / DNS Pourquoi ? Adresse IP compliquée ! Impossibilité de connaître tout le réseau Réponse : DNS ou Serveur de noms Données réparties partout sur le réseau Fonctionne en arborescence

DNS, la suite… Création de domaines par l’AFNIC : .fr .com, ... Possibilités infinies de sous-domaines : u-strasbg.fr wanadoo.fr Serveur DNS de l’Université : 130.79.200.1 130.79.200.3

Un exemple : www.perdu.com DNS Routeur Perdu.com 66.134.207.43 Routeur Page web GW Routeur www.perdu.com Thomas Routeur

Les autres… FTP : Transfert de fichiers SSH : Console sécurisée IRC : Discussion SMTP : Mail LDAP : Annuaire …

Et la suite… Nouveau protocole d'adressage IPv6 Nouvelles technologies réseaux : Bluetooth Wi-fi Gigabit Ethernet …

Bases d’administration

La sécurité (1/2)‏ Plusieurs aspects : Topologies Choix d'une topologie sure Système d'exploitation Mise à jour Windows Update Les pilotes (drivers)‏ Matérielle Protéger physiquement les machines

La sécurité (2/2)‏ Utilisation d’application sécurisées Formation des utilisateurs Mots de passe Hérésies (modem, divulgation mot de passe)‏ Veille Surveillance Information Construction d'une base de ressources

DHCP Configuration auto d'interface réseaux Bail limité Adresse IP Gateway Masque de sous-réseau Serveur DNS Nom de domaine Bail limité Sécurité : distribution par adresse MAC

Les scripts Les SCRIPTS ! Pour automatiser les taches répétitives Pour lancer des taches à heure fixe Pour mettre à jour de nombreux fichiers Les SCRIPTS !

Exemple : ps2ascii.bat @echo off if '%1'=='' goto a0 gs -q -dNODISPLAY -dNOBIND -dWRITESYSTEMDICT -dSIMPLE ps2ascii.ps %1 -c quit >%2 goto x :a0 gs -q -dNODISPLAY -dNOBIND -dWRITESYSTEMDICT -dSIMPLE ps2ascii.ps - -c quit :a1 gs -q -dNODISPLAY -dNOBIND -dWRITESYSTEMDICT -dSIMPLE ps2ascii.ps %1 -c quit :x

Ensuite ? Installation des machines sous XP Partitionnement Installation du système Configuration / Mise à jour Installation de logiciels Installation de l’imprimante Mais avant, on relit son cours ! Quoi faire mercredi matin ? BIOS Partoche Install Et l’AM ? Config: Résolution + Rafraîchissement 85 Hz Habillage win2000 Panneau de config User Tache planifiée Système Réseau Son Imprimante Partage Base de registre Install Winzip + WinSCP + Putty Windows UPDATE Mozilla + Mail voir PEM Antivirus + FW (PCCilin, Nav, …)‏