FONCTIONNEMENT D'UN ORDINATEUR
I. Codage binaire de l'information
Les circuits électroniques de l'unité centrale ne comprennent pas le langage naturel : il doit donc être codé en langages plus simples, qui eux-mêmes traduiront les instructions du programme en une suite de niveaux logiques codés 0 ou 1 ( qui, dans l'ordinateur, se traduiront par l'absence ou la présence d'une tension aux bornes d'un composant électronique ).
Principe 1: toute information qui entre ou qui sort d'un ordinateur est décomposée en une suite de 0 et de 1.
On appelle bit (BInary digiT, Claude SHANNON 1938 ) la suite à un élément. Un bit ne peut donc prendre que ces deux valeurs : 0 ou 1.
L'opération qui consiste à transformer une information en une suite de bits s'appelle la numérisation (on dit aussi digitalisation).
Exercice 1 : Proposez un codage binaire pour les quatre points cardinaux (Est, Ouest, Nord, Sud).
Exercice 2 : Cf. fiche intitulée "Le binaire".
Exercice 3 : Compléter le tableau
ci-dessous
Nombre de bits du codage |
Nombre de formes possibles |
1 |
|
2 |
|
3 |
|
. |
|
. |
|
n |
|
Un ensemble de 8 bits s'appelle un octet ( ou byte en anglais ) ; il permet donc de coder 28 = 256 informations différentes.
Les unités multiples sont :
Exercice 4 : Combien de Ko font 5 Mbits ?
Exercice 5 : Comptez le nombre de caractères affichables qu'un clavier d'ordinateur peut générer. Combien de bits sont nécessaires pour les coder ?
On appelle quantité d'information, le nombre de bits qui sont nécessaires pour coder l'information.
Le code ASCII permet de représenter les caractères et touches du clavier en un code à 7 éléments binaires ; comme un octet est formé de 8 bits, on ajoute un certain nombre de caractères locaux ( en particulier accentués ) ou graphiques...
Ainsi, un caractère a une quantité d'information de 8 bits ( il est donc codé sur un octet ).
remarque : si on souhaite être compris des non-francophones ( par exemple sur Internet ) ou de certains logiciels ( en particulier de MS-DOS ) il faut éviter d'utiliser les caractères dont le code est supérieur ou égal à 128 ).
Exercice 6 : Calculez la quantité d'information (en bits puis en octets) contenue dans une page de texte de 80 lignes sur 66 caractères.
Exercice 7 : Calculez la quantité d'information contenue dans une image 640 sur 480 pixels en 16 couleurs (Question préliminaire : combien de bits faut-il pour coder 16 couleurs ?). Même question en 256 couleurs, puis en millions de couleurs (codées sur 24 bits).
II. Fonctionnement d'une mémoire informatique
Une mémoire informatique est un espace destiné à contenir de l'information binaire pendant un certain temps.
Il existe deux opérations sur les mémoires informatiques : la lecture et l'écriture.
Ecrire dans une mémoire c'est y déposer une suite de bits.
Principe 2 : Ecrire dans une mémoire informatique remplace le contenu précédent de la mémoire par un contenu nouveau. Le contenu précédent est perdu.
Principe 3 : La lecture d'une mémoire ne modifie pas son contenu.
Exercice 8 : La mémoire A contient 10010011 . Quel est son contenu si on y écrit 00111101 ?
Les mécanismes de lecture et d'écriture sont presque toujours liés : l'information écrite dans une mémoire provient de la lecture d'une autre mémoire. C'est ce que l'on appelle recopie de mémoires.
Donc recopier une mémoire A dans une mémoire B c'est lire la mémoire A ( qui ne perd pas son contenu ) et écrire dans la mémoire B ( qui perd le contenu précédent ).
Exercice 9 : La mémoire A contient 10010010 , la mémoire B contient 00011000 . Quel est le contenu de ces mémoires si on recopie A dans B ?
Exercice 10 : Comment permuter le contenu de deux mémoires ?
Le fonctionnement d'un ordinateur se ramène essentiellement à des recopies de mémoires. Il ne peut évidemment se résumer à cela, sinon il ne se passerait rien. Si une modification de contenu de mémoire apparaît, c'est dans le seul processeur qu'elle est effectuée.
Exemple : voyage d'un caractère du clavier à l'écran
Quand on appuie sur la touche A du clavier, on envoie le code 01000001 ( voir code ASCII ) au circuit d'échange du clavier qui l'écrit dans une mémoire locale ( recopie de mémoires ). Quand le processeur le lui demande, le circuit d'échange lui envoie le code ( recopie de mémoires ). Le processeur va stocker cette information en mémoire centrale dans la case prévue par le programmeur. Le processeur récupère ensuite le code stocké en mémoire ( recopie de mémoire ) puis l'envoie au circuit d'échange de l'écran ( recopie de mémoire ). Celui-ci recopie le code dans la mémoire de l'écran. Le caractère apparaît alors.
Tout cela paraît long et compliqué. C'est effectivement compliqué. On ne s'aperçoit pas que c'est long car tout se déroule très vite, à la vitesse de l'horloge de l'unité centrale.
III. Principes de fonctionnement d'un ordinateur ( principes de Von NEUMANN )
Principe 4 : Dans l'ordinateur, c'est le processeur qui fait les calculs et contrôle toutes les recopies de mémoires.
Principe 5 : Le processeur agit en suivant les ordres ( ou instructions ) contenues dans un programme.
Principe 6 : Le programme exécuté par le processeur doit être présent dans la mémoire centrale.
Ces principes vont être repris et développés par la suite.
Enigme de la poule et de l'oeuf
Examinons ce qui se passe quand on met l'ordinateur sous tension : c'est le processeur qui pilote le démarrage ( principe 4 ). Il le fait en suivant les instructions d'un programme ( principe 5 ) et ce programme doit être en mémoire centrale ( principe 6 ). Mais la mémoire centrale est vide !
Il apparaît donc nécessaire de disposer en mémoire centrale d'un programme qui ne s'efface pas pour être toujours disponible à la mise sous tension et que, donc, l'on ne doit pas pouvoir modifier.
La mémoire centrale comporte en effet une partie, dite mémoire morte, que le processeur peut lire et dans laquelle il ne peut pas écrire. Elle contient le programme destiné à charger un premier programme appelé système d'exploitation : aucune application ne peut fonctionner sur un ordinateur si le système d'exploitation n'est pas chargé au préalable !
S.E.D. : Système d'Exploitation de Disquettes
D.O.S. : Disk Operating System
( d'où MS-DOS , OS 2 , MAC OS , Système 7, ... et maintenant Windows , Unix , ... )