Les machines
1- Les portes booléennes
À l'échelle la plus petite, un ordinateur est un
assemblage de transistors. Un transistor est un
circuit électronique à trois fils appelés le drain, la
source et la grille. La résistance entre le drain et
la source est ou bien très petite ou bien très
grande en fonction de la tension appliquée entre
la grille et la source. Quand cette tension est
inférieure à un certain seuil, cette résistance est
très grande, on dit que le transistor est bloqué ;
quand la tension est supérieure à ce seuil, la
résistance est très petite, on dit que le transistor
est passant.
Les associations de transistors peuvent constituer
des portes logiques.( Ci-contre circuit OU avec 3
transistors). Voici sa table de vérité:
A B D
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Table de vérité de la fonction Et
A B C
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Table de vérité de la fonction NON
A B
0 1
1 0
Les circuits non, et et ou s'appellent des portes booléennes ou parfois des portes logiques.
3- L'organisation d'un ordinateur
Un ordinateur est principalement composé de deux grands circuits : le processeur et la mémoire.
Ces deux circuits sont reliés entre eux par des fils qui constituent un ou plusieurs bus de
communication, parmi lesquels un bus de données et un bus d'adresses. Le processeur est
composé de deux unités. L'unité de contrôle lit en mémoire un programme et donne à l'unité de
calcul la séquence des instructions à effectuer. Le processeur dispose par ailleurs de bus
d'entrées et de sorties permettant d'accéder aux autres parties de l'ordinateur, que l'on nomme les
périphériques. Cette organisation générale, l'architecture de von Neumann, est étonnamment
stable depuis les années quarante.
Outre un processeur, une mémoire, une horloge et des bus reliant le processeur à la mémoire, un
ordinateur est également constitué de périphériques : écrans, claviers, souris, disques, hautparleurs,
imprimantes, scanners, cartes réseau, clés de mémoire flash, etc. qui permettent au
processeur d'échanger des informations avec l'extérieur : des êtres humains, à travers par
exemple l'écran et le clavier, d'autres ordinateurs, à travers la carte réseau, et des outils de
stockage, par exemple des disques. On peut grossièrement classer les périphériques en
périphériques d'entrée, qui permettent au processeur de recevoir des informations de l'extérieur, et
périphériques de sortie, qui lui permettent d'émettre des informations vers l'extérieur. Toutefois,
beaucoup de périphériques sont à la fois des périphériques d'entrée et de sortie. Ainsi, un écran
est a priori un périphérique de sortie, mais un écran tactile est aussi un périphérique d'entrée.
On s'aperçoit que si on bouge la souris, le curseur de souris bouge sur l'écran, il semble donc y
avoir un programme qui interroge en permanence la souris pour connaître sa position et dessine
un curseur de souris à l'endroit correspondant de l'écran. De même, il est possible d'utiliser
simultanément plusieurs programmes,
Cela est dû au fait que dès qu'on allume un ordinateur, un programme spécial est lancé : le
système d'exploitation. Ce programme, souvent gigantesque,
a plusieurs fonctions :
• Il permet l'exécution simultanée de plusieurs programmes.
• Il gère les périphériques ;
• En particulier, il gère le disque, son découpage en fichiers, l'attribution d'un nom à chaque fichier
et leur organisation arborescente
• Il gère aussi l'écran, c'est-à-dire son découpage en fenêtres, l'ouverture et la fermeture des
fenêtres.
• Dans certains systèmes utilisés par plusieurs personnes, il gère l'authentification de chaque
utilisateur et les droits, en particulier de lecture et d'écriture des fichiers, associés à chacun d'eux.
Il existe plusieurs systèmes d'exploitation : Unix, Linux ou GNU/Linux,
Windows, Mac OS, etc. Toutefois, le développement d'un système d'exploitation est
une tâche si coûteuse en temps, qu'il n'existe guère plus d'une dizaine de systèmes
d'exploitation réellement utilisés. Au lycée, en salle d'ISN, vous disposez d'UBUNTU
et Windows. Expliquer les avantages d'un système d'exploitation libre comme
UBUNTU.
2-Le temps et la mémoire
Un circuit, qui ignore le temps, s'appelle un circuit combinatoire. Il y a, autour de nous, beaucoup
de circuits combinatoires. Par exemple, une lampe est allumée quand son interrupteur est fermé et
elle est éteinte quand cet interrupteur est ouvert ; l'état de la lampe dépend de la position de
l'interrupteur, mais pas de la position de l'interrupteur une seconde ou une minute plus tôt.
Cependant, il y a aussi autour de nous des circuits moins amnésiques, dont l'état à un instant
donné dépend non seulement de l'état de ses entrées à cet instant, mais aussi de leur état passé.
Par exemple, quand nous appuyons sur la touche 1 d'une calculatrice, le chiffre 1 apparaît sur
l'écran, mais quand nous relâchons cette touche, le chiffre 1 ne disparaît pas : l'état de l'écran à un
instant donné dépend donc non seulement del'état du clavier à ce même instant, mais aussi de
toute l'histoire du clavier. Un tel circuit s'appelle un circuit séquentiel. Les ordinateurs sont des
circuits séquentiels.
Le circuit séquentiel le plus simple est le circuit mémoire un bit qui permet de
mémoriser un 0 ou un 1.
Si la sortie A de la première porte non est dans l'état 0, alors l'entrée de la
seconde porte non, qui est A également, est aussi dans l'état 0 ; par
conséquent, sa sortie B est dans l'état 1, donc l'entrée de la première porte,
qui est B également, est dans l'état 1, ce qui participe à perpétuer le fait que
sa sortie A soit dans l'état 0. Si, en revanche, la sortie A de la première porte non est dans l'état 1,
alors l'entrée de la seconde porte non, qui est A également, est aussi dans l'état 1 ; par
conséquent, sa sortie B est dans l'état 0, donc l'entrée de la première porte, qui est B également,
est dans l'état 0, ce qui participe à perpétuer le fait que sa sortie A soit dans l'état 1.
En informatique, les machines de grande taille, par
exemple les réseaux, sont des machines asynchrones.
Chaque utilisateur va à son rythme et le réseau finit par
répondre à tout le monde, mais sans garantie du temps
que cela prendra. En revanche, les machines de petite
taille, telles que les processeurs, sont des machines
synchrones. C'est pour cela qu'il y a dans les ordinateurs
un circuit, l'horloge, dont le rôle est de battre la mesure
pour les autres circuits. Une horloge est simplement un
circuit qui émet sur sa sortie un signal périodique, par
exemple le signal suivant.
4- Les réseaux
Un protocole est un ensemble de règles qui régissent la transmission d'informations
sur un réseau. Il existe de nombreux protocoles, chacun spécialisé dans une tâche bien
précise.
Une couche est un ensemble de protocoles qui effectuent des tâches de même niveau.
On distingue cinq couches appelées couche application, couche transport, couche réseau,
couche lien et couche physique.
Un protocole de la couche physique doit réaliser une tâche extrêmement simple : communiquer
des bits entre deux ordinateurs reliés par un câble ou par radio.
L'étape suivante consiste à construire un réseau local, c'est-à-dire formé de quelques machines
connectées, par un protocole physique, à un ordinateur central : un serveur. Pour envoyer des
informations à un autre ordinateur, chaque ordinateur passe par le serveur.De même qu'il était
nécessaire de distinguer les différentes cases de la mémoire d'un ordinateur en donnant à
chacune un nom, son adresse, il est nécessaire de distinguer les différents ordinateurs d'un
réseau local en donnant à chacun un nom : son adresse MAC (Medium Access Control). Une
adresse MAC est un mot de 48 bits que l'on écrit comme un sextuplet
de nombres de deux chiffres en base seize, les seize chiffres s'écrivant 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, a,
b, c, d, e, f : par exemple 10:93:e9:0a:42:ac. Une adresse MAC unique est attribuée à chaque
carte réseau au moment de sa fabrication. L'adresse MAC d'une carte réseau, périphérique d'un
ordinateur, identifie ce dernier sur le réseau local.
Utiliser un ordinateur central est possible pour un réseau de petite taille, mais cette méthode ne
peut pas s'appliquer à un réseau formé de plusieurs milliards d'ordinateurs, comme Internet : d'une
part, l'ordinateur
central serait vite surchargé, d'autre part s'il tombait en panne, ou s'il était détruit, les
communications sur la Terre entière seraient interrompues. C'est pour cela que l'on a inventé
d'autres protocoles pour les réseaux de grande taille, appelés les protocoles réseau, qui fédèrent
les réseaux locaux de proche en proche et utilisent les protocoles lien pour assurer les
communications locales. Le plus utilisé des protocoles réseau est le protocole IP (Internet
protocol). Avec le protocole IP, chaque machine a une adresse, appelée son adresse IP.
Contrairement à l'adresse MAC, celle-ci n'est pas associée de manière durable à un
ordinateur.Avec les protocoles réseau, la notion de serveur est remplacée par celle de routeur.
Les programmes que l'on utilise tous les jours, par exemple les navigateurs web ou les
programmes de gestion du courrier électronique, ne peuvent pas directement utiliser le protocole
IP, principalement pour deux raisons : d'une part, le protocole IP ne permet de transférer d'un
ordinateur à un autre que des informations de taille fixe : des paquets contenant au maximum 1
500 octets. D'autre part, comme on l'a vu, IP est un protocole peu fiable : dès qu'un serveur est
surchargé, il détruit des informations qui n'arrivent donc pas à leur destinataire. On utilise donc un
type supplémentaire de protocole : les protocoles de transport, dont le plus utilisé est le protocole
TCP (Transmission Control Protocol). Les protocoles de transport utilisent les protocoles réseau
pour acheminer des informations contenues dans des paquets IP, d'un bout à l'autre du réseau, et
assurent que tout paquet IP envoyé est arrivé à bon port.
Les protocoles des couches physique, lien, réseau et transport fournissent le socle d'Internet : ils
permettent de transmettre de manière fiable des fichiers de toutes tailles, d'une machine à
n'importe quelle autre machine connectée à Internet. En plus de ce socle, on distingue néanmoins
un dernier type de protocoles, qui utilisent les services de la couche transport pour le compte de
certains programmes que l'on utilise tous les jours, comme les navigateurs web ou les logiciels de
courrier électronique. Il s'agit des protocoles d'application. Ex : html