Matériel

Un ordinateur polyvalent possède quatre blocs de construction :

• périphériques d'entrée — permettent d'introduire des données (clavier, souris, microphone, scanner, capteurs).
• périphériques de sortie — permettent de restituer des résultats (écran, haut-parleurs, imprimante, actionneurs).
• mémoire primaire — mémoire rapide accessible directement par le processeur (CPU) (RAM et ROM). Contient le programme en cours d'exécution et ses données.
• stockage secondaire — plus lent, mais de plus grande capacité, conserve les programmes et les données lorsqu'ils ne sont pas utilisés (disque dur, SSD, disque optique, clé USB).

Le programme demande pourquoi chacun est nécessaire. Les dispositifs d'entrée sont nécessaires car l'ordinateur ne peut traiter que les données et instructions saisies. Les dispositifs de sortie sont nécessaires pour présenter les résultats sous une forme utilisable par les personnes. La mémoire primaire est nécessaire car le processeur ne peut exécuter des instructions et utiliser des données que celles retenues dans la mémoire qu'il peut adresser directement, et il doit y accéder rapidement. Le stockage secondaire est nécessaire car la mémoire primaire est volatile et de capacité limitée : les programmes et données doivent survivre à la coupure d'alimentation, dans un stockage plus grand et moins cher, et le stockage amovible permet de transférer des données entre ordinateurs ou de les conserver en sauvegarde.

Un système embarqué est un ordinateur intégré dans un autre appareil pour exécuter une tâche fixe (machine à laver, micro-ondes, unité moteur de voiture, thermostat).

• avantages : optimisé pour une seule tâche, donc il est petit, consomme peu d'énergie et est bon marché à produire en série ; fiable, car il exécute un programme fixe avec peu de risques de défaillance ; démarre rapidement et ne nécessite aucune configuration utilisateur ; facile à utiliser grâce à une interface simple.
• inconvénients : limité à sa seule fonction, il ne peut donc pas être mis à niveau pour effectuer d'autres tâches ; difficile à mettre à jour (son firmware peut nécessiter des outils spécifiques ou ne pouvoir être modifié du tout) ; difficile à diagnostiquer, et généralement l'appareil entier doit être remplacé en cas de panne ; s'il est connecté à un réseau, il peut représenter une faille de sécurité, car son logiciel est rarement patché.

Une question « décrire les inconvénients » demande que chaque inconvénient soit formulé comme une réponse complète : quelle est la limitation et ce qu'elle signifie pour l'utilisateur, par exemple « le firmware ne peut pas être mis à jour, donc une faille de sécurité découverte ultérieurement ne peut pas être corrigée ».

Imprimante laser

Une imprimante laser scanne l'image de la page sur un tambour photosensible chargé. Le toner adhère aux zones chargées, se transfère sur le papier, puis est fondu par un fuser. Rapide, nette, haute capacité.

Comment ça marche, selon les étapes listées dans la grille de notation :

1. Les données de la page sont envoyées au tampon de l'imprimante.
2. Le tambour reçoit une charge électrostatique uniforme.
3. Un laser, réfléchi par un miroir rotatif, scanne l'image de la page sur le tambour, enlevant la charge là où il frappe, de sorte que la charge restante sur le tambour correspond à l'image.
4. Le toner, une poudre chargée, est attiré uniquement vers les parties chargées du tambour.
5. Le papier reçoit la charge opposée et roule contre le tambour, de sorte que le toner se transfère dessus.
6. Le fuser, composé de deux rouleaux chauffants, fond le toner dans le papier. Le tambour est ensuite déchargé et nettoyé pour la page suivante.

Imprimante 3D

A 3D printer 3D builds an object layer by layer: FDM melts plastic filament through a nozzle; stereolithography cures liquid resin with a UV laser. Used for prototypes and custom medical parts.

Comment ça marche :

1. Un modèle de l'objet est conçu dans un logiciel CAD (ou numérisé).
2. Un logiciel de tranchage divise le modèle en couches horizontales fines et produit les instructions pour chacune d'elles.
3. L'imprimante construit l'objet couche par couche : une imprimante FDM fait fondre un filament plastique et le dépose via une buse mobile ; une imprimante à résine polymérise une résine liquide avec un laser ou une lumière UV ; une imprimante à poudre lie une poudre avec un laser.
4. Chaque couche s'agglomère à la couche inférieure, et la plateforme (ou la buse) descend d'une épaisseur de couche.
5. Lorsque la dernière couche est terminée, tout matériau de soutien est retiré. Utilisations incluent les prototypes, les pièces médicales personnalisées telles que les prothèses, et les pièces détachées imprimées à la demande.

Microphone et haut-parleurs

Un microphone convertit le son en signal électrique (un diaphragme vibre, modifiant la charge du condensateur ou la position d'une bobine) ; le signal est numérisé par un convertisseur analogique-numérique (CAN). Un haut-parleur effectue l'inverse : un signal variable actionne une bobine dans un champ magnétique, déplaçant une membrane pour produire du son.

Fonctionnement d'un microphone : les ondes sonores font vibrer un diaphragme ; dans un microphone dynamique, une bobine fixée au diaphragme se déplace dans un champ magnétique, induisant ainsi un courant variable, et dans un microphone à condensateur, le diaphragme constitue une plaque d'un condensateur dont la capacité varie selon ses déplacements ; le signal analogique variable est ensuite échantillonné par un CAN et stocké sous forme de données numériques. Un haut-parleur parcourt le processus à l'envers : un convertisseur numérique-analogique (CNA) génère un courant variable, le courant dans la bobine crée un champ magnétique changeant qui repousse l'aimant permanent, la bobine et la membrane oscillent vers l'intérieur et l'extérieur, et le mouvement de la membrane produit des ondes de pression dans l'air.

Disque dur magnétique (HDD)

Un disque dur stocke les données sur des plateaux tournants recouverts de matériau magnétique. Chaque plateau comporte des pistes divisées en secteurs. Une tête de lecture/écriture flotte juste au-dessus et magnétise de petites zones (écriture) ou les détecte (lecture). Bon marché par gigaoctet, mais plus lent que les SSD et comportant des pièces mobiles.

Fonctionnement : les plateaux tournent à grande vitesse (plusieurs milliers de tours par minute) ; chaque surface est divisée en pistes concentriques et chaque piste en secteurs ; les têtes de lecture/écriture situées sur des bras actionneurs se déplacent sur les plateaux jusqu'à la bonne piste ; pour écrire, la tête magnétise une petite zone avec l'une des deux polarités, représentant 0 ou 1 ; pour lire, elle détecte la polarité lorsque la zone passe dessous. Les délais d'attente pour que le bras atteigne la piste et pour que le secteur tourne sont la raison pour laquelle un disque dur est plus lent qu'un SSD.

Mémoire tout solide (flash)

Un disque dur solide stocke les données sous forme de charge dans des transistors, sans pièces mobiles. Accès aléatoire plus rapide que les disques durs mécaniques, plus robuste, moins gourmand en énergie, mais plus cher par gigaoctet ; chaque cellule s'use après un certain nombre d'écritures.

Fonctionnement : chaque cellule est un transistor à grille flottante ; une charge piégée sur la grille flottante représente un bit et y reste même hors tension ; une puce contrôleur mappe chaque adresse à une cellule et répartit les écritures sur les cellules, car une cellule ne supporte qu'un nombre limité d'écritures.

Une question « pourquoi un serveur utilise-t-il des disques durs plutôt que des SSD » demande la colonne de gauche : moins cher par gigaoctet pour de très grandes capacités, longue durée de vie sous réécriture constante, et récupération de données plus facile.

Disc optique

Un laser détecte les réflexions provenant de micro-alvéoles sur un disque optique (CD, DVD, Blu-ray). Le lecteur est un lecteur-graveur de disque optique : l'écriture utilise un laser plus puissant pour modifier la réflectivité de la surface.

Fonctionnement : le disque contient une longue piste en spirale d'alvéoles et de terrasses (les zones planes entre elles) ; le disque tourne et un laser est focalisé sur la piste ; la lumière réfléchie par une terrasse diffère de celle réfléchie au bord d'une alvéole, et un capteur lumineux lit chaque changement comme un 1 et l'absence de changement comme un 0. L'écriture utilise un laser plus puissant pour modifier la réflectivité d'une couche de colorant ou d'alliage. Un Blu-ray utilise un laser bleu à longueur d'onde plus courte, ce qui rend ses alvéoles plus petites et rapprochées, permettant ainsi de stocker plus de données qu'un DVD.

Écran tactile

Un écran tactile détecte le contact. Résistif : deux couches conductrices pressées ensemble ; fonctionne avec n'importe quel objet mais est moins précis. Capacitif : un doigt perturbe un champ de charge ; précis, multi-touch, utilisé dans les téléphones.

Comment ça marche : un écran résistif a deux couches conductrices fines séparées par des espacements ; appuyer pousse la couche supérieure sur la couche inférieure, fermant un circuit à cet endroit, et le contrôleur lit la tension pour trouver les coordonnées. Un écran capacitif a une couche de verre revêtue d'un conducteur transparent qui retient une charge ; un doigt qui le touche tire un petit courant, le courant est mesuré à chaque coin, et le contrôleur calcule la position du toucher à partir des différences. Les écrans capacitifs répondent à une légère touche et à plusieurs doigts à la fois, mais pas à un doigt ganté ou à un stylet ordinaire.

Casque de réalité virtuelle

Un casque de réalité virtuelle (RV) possède deux petits écrans (un par œil) et des capteurs de mouvement (accéléromètre, gyroscope) qui suivent les mouvements de la tête afin que la scène se déplace lorsque vous tournez autour.

Fonctionnement : chaque œil voit son propre écran à travers une lentille, et les deux images diffèrent légèrement, ce qui permet au cerveau de percevoir la profondeur ; des capteurs (accéléromètre, gyroscope, parfois caméras) signalent la position de la tête et sa direction ; l'ordinateur re-rend la scène depuis cet angle de vue plusieurs fois par seconde, donc tourner la tête fait pivoter le champ de vision ; des écouteurs produisent un son qui correspond à la direction. Utilisé pour les jeux vidéo, la formation via des simulateurs de vol ou de chirurgie, et la visualisation de conceptions avant leur fabrication.

Un tampon est une mémoire qui retient temporairement des données pendant leur transfert entre des périphériques de vitesses différentes. Exemple : le CPU écrit rapidement un document dans un tampon d'imprimante, puis est libre de faire autre chose pendant que l'imprimante imprime depuis le tampon à son propre rythme. Les tampons évitent que le périphérique rapide n'attende le périphérique lent (ils sont aussi utilisés pour le streaming, le clavier et l'accès aux disques).

"Expliquez pourquoi une imprimante 3D nécessite un tampon" : l'ordinateur envoie les données d'impression beaucoup plus vite que l'imprimante ne peut construire les couches, donc les données sont retenues dans le tampon jusqu'à ce que l'imprimante soit prête, libérant ainsi le processeur pour d'autres tâches. Lorsque le tampon est faible, l'imprimante envoie une ** interruption** pour demander plus de données (sujet 4). Un flux vidéo fonctionne de la même manière : le tampon se remplit en avance sur la lecture pour qu'une baisse temporaire de la vitesse réseau n'interrompe pas l'image.

• RAM (Mémoire vive) — volatile (perd les données sans alimentation). Contient le système d'exploitation, les programmes en cours d'exécution et leurs données ; lue et écrite constamment.
• ROM (Mémoire morte) — non volatile (conserve les données sans alimentation). Généralement écrite une seule fois ; contient le firmware nécessaire au démarrage (le BIOS / le chargeur de démarrage).

La ROM amorce le système ; la RAM contient ensuite le travail actif.

Plus de RAM permet à un ordinateur de contenir plus de programmes et de données simultanément, réduisant ainsi les échanges entre mémoire et disque et améliorant la vitesse ; c'est la réponse à "expliquez pourquoi l'ordinateur avec plus de RAM performe mieux".

Le partage de cette mémoire est important aussi dans un appareil portable : son programme fixe doit rester disponible après la coupure d'alimentation, tandis que ses lectures en direct changent durant l'utilisation.

• RAM statique (SRAM) : stocke chaque bit dans un bascule constituée de plusieurs transistors. Rapide, mais coûteuse et peu dense. Utilisée pour la cache du CPU.
• RAM dynamique (DRAM) : stocke chaque bit sous forme de charge sur un minuscule condensateur. Moins chère et plus dense mais plus lente, et doit être rafraîchie (réécrite) des milliers de fois par seconde. Utilisée pour la mémoire principale.

Utilisez la SRAM pour la petite mémoire rapide (cache) ; la DRAM pour la grande mémoire vive.

"Expliquez pourquoi le système embarqué utilise la DRAM" : il a besoin d'une grande quantité de mémoire à faible coût dans un petit espace, et ses exigences de vitesse sont modestes, donc la DRAM, moins chère et plus dense, est le bon choix ; la SRAM est réservée au petit cache où la vitesse prime.

Variantes de ROM programmables après fabrication :

• PROM (ROM programmable) — écrite une seule fois (fusibles grillés par un programmeur) ; ne peut pas être modifiée.
• EPROM (ROM effaçable programmable) — effacée par lumière UV intense à travers une fenêtre, puis réécrite (toute la puce en une fois).
• EEPROM (ROM effaçable programmable électriquement) — effacée et réécrite électriquement, octet par octet, directement dans le circuit. La mémoire Flash est une dérivée optimisée pour l'effacement par blocs.

"Donnez deux différences entre EPROM et EEPROM" demande deux lignes de ce tableau, chacune stated pour les deux types.

Les deux lisent des capteurs ; la différence réside dans ce qu'ils font ensuite.

• surveillance : collecte et rapporte des données mais n'entreprend aucune action (une station météo enregistrant des relevés).
• système de contrôle : utilise les données des capteurs pour décider et agir via des actionneurs, généralement dans une boucle de rétroaction (un thermostat allumant ou éteignant une chaudière).

La réponse à trois points « décrire les différences » : un système de surveillance se contente de mesurer, d'enregistrer ou d'afficher des lectures et, au mieux, émet une alerte ; un système de contrôle compare chaque lecture avec une valeur prédéfinie et, si elle est hors plage, envoie des signaux aux actionneurs qui modifient le processus physique ; la modification est ensuite mesurée à nouveau, donc un système de contrôle contient une rétroaction alors qu'un système de surveillance n'en possède pas. C'est ce critère qui détermine la catégorie du système : un système de pont qui mesure la hauteur d'un véhicule et allume un panneau d'avertissement est de type surveillance, car rien de ce qu'il fait ne modifie le véhicule ; un système qui abaisse un barrière est de type contrôle.

Exemple résolu. Décrivez comment un système automatique ouvre une porte quand une personne est à moins de 2 mètres et la ferme quand personne n'est là.

Un capteur infrarouge ou ultrasonore mesure la distance vers tout objet devant la porte ; la lecture analogique est convertie en numérique par un CNA et envoyée au processeur ; le processeur compare la distance aux 2 mètres préréglés ; si elle est inférieure, le processeur envoie un signal à l'actionneur (un moteur) pour ouvrir la porte ; le capteur continue de mesurer, et quand aucune lecture inférieure à 2 mètres n'est reçue, le processeur signale au moteur de fermer la porte. La mesure répétée après chaque action est la rétroaction qui empêche la porte de s'ouvrir et de se fermer aux mauvais moments.

Capteurs et actionneurs

Un capteur convertit une grandeur physique en signal : température (un thermistor ou thermocouple), pression (jaume de contrainte), infrarouge, son. Les signaux analogiques nécessitent d'abord un convertisseur A/N. Un actionneur effectue l'inverse — il transforme un signal en une action (moteur, vanne, chauffage, buzzer).

Rétroaction

Dans un système de contrôle, l'actionneur modifie l'environnement, que les capteurs mesurent ensuite à nouveau — c'est une boucle de rétroaction. Sans rétroaction, le système ne peut pas se corriger ni savoir quand s'arrêter (un thermostat sans rétroaction sur la température chaufferait indéfiniment).

Une porte logique est un petit circuit qui effectue une opération booléenne unique. Les entrées et sorties sont 0 (faux, bas) ou 1 (vrai, haut). Il faut connaître le symbole, la fonction et la table de vérité pour chaque porte.

NON (inverseur)

ET — sortie 1 seulement si toutes les entrées sont 1

OU — sortie 1 si au moins une entrée est 1

NAND (NON ET) — sortie 0 seulement quand toutes les entrées sont 1

NOR (NON OU) — sortie 1 seulement quand toutes les entrées sont 0

XOR (OU exclusif, aussi appelé EOR) — sortie 1 si les entrées sont différentes

Un circuit logique est un réseau de portes qui exécute une expression booléenne. Vous devez être capable de passer d'une énoncé de problème, à une expression logique, à une table de vérité et à un schéma de circuit.

L'énoncé écrit les expressions en mots, X = (A AND NOT B) OR (B AND C), et accepte la forme algébrique $X = A\overline{B} + BC$ où un point (ou rien) est ET, un signe plus est OU, et une barre est NON. Utilisez celle que pose la question.

De l'expression au circuit

Dessinez une porte par opérateur et câblez-les. Pour $X = (A \text{ AND } B) \text{ OR } (\text{NOT } C)$ : une porte NON sur $C$, une porte ET sur $A$ et $B$, puis une porte OU sur les deux résultats.

Du circuit à l'expression

Travaillez à partir des entrées, en étiquetant la sortie de chaque porte logique, jusqu'à atteindre la sortie finale.

Exemple résolu. Écrivez l'expression du circuit ci-dessous, puis complétez sa table de vérité.

Étiquetez les sorties des portes : $P = A \text{ AND NOT } B$, $Q = B \text{ AND } C$, donc $X = P \text{ OR } Q = (A \text{ AND NOT } B) \text{ OR } (B \text{ AND } C)$. Ensuite, ajoutez une colonne pour chaque sortie intermédiaire dans la table de vérité, afin que chaque ligne puisse être vérifiée porte par porte :

Dessiner un circuit à partir d'une expression correspond à parcourir le chemin inverse : commencez par les parenthèses intérieures, dessinez une porte par opérateur, placez une porte NON sur le fil de toute entrée apparaissant avec NON, gardez les entrées à gauche et la sortie unique à droite, et étiquetez la sortie avec sa lettre. Chaque ligne doit aboutir à une entrée de porte ou à la sortie ; une ligne qui ne va nulle part perd la note.

Du circuit à la table de vérité

Pour $n$ entrées, il y a $2^{n}$ lignes. Répertoriez toutes les combinaisons d'entrées ; pour chacune, calculez les portes internes puis la sortie.

De la table de vérité à l'expression (somme de produits)

Pour chaque ligne qui produit 1, écrivez un ET des entrées (avec NON sur toute entrée valant 0 dans cette ligne) ; OR ces termes ensemble. Exemple : une table qui vaut 1 uniquement aux $(A=0,B=1)$ et $(A=1,B=0)$ donne $\overline{A}B + A\overline{B}$, ce qui est $A \text{ XOR } B$.

D'un énoncé de problème

Transformez l'anglais en expression booléenne d'abord : "A and B" → A AND B ; "A or B or both" → A OR B ; "exactly one of A and B" → A XOR B ; "neither A nor B" → A NOR B ; "not both" → A NAND B.

Exemple résolu. L'alarme d'une machine $X$ se déclenche lorsque la barrière est ouverte ($A=1$) ET soit le moteur tourne ($B=1$), soit la température est élevée ($C=1$). Écrivez l'expression booléenne et indiquez les lignes où $X=1$. Transformez l'anglais en logique clause par clause : "either B or C" est $B + C$, et "A and that" est $X = A\cdot(B + C)$. Pour les lignes, $X=1$ nécessite $A=1$ ET au moins l'un de $B$, $C$ égal à 1 - donc $(A,B,C) = (1,0,1)$, $(1,1,0)$ et $(1,1,1)$, trois lignes sur huit. Remarquez que $A=0$ ne peut jamais déclencher l'alarme, quel que soient $B$ et $C$. Encadrez l'OR avant de faire le ET : $X = A\cdot B + C$ est un circuit entièrement différent, celui qui déclencherait l'alarme à haute température même si la barrière est fermée.

Cellules flash et capteurs lumineux

Dans une cellule flash à grille flottante, une grille isolée piégeant la charge sans alimentation continue. Une tension appliquée sur la grille de commande sert à programmer ou lire la cellule ; la charge piégée modifie le seuil de tension auquel le transistor conduit, permettant ainsi au circuit de lecture de distinguer les états stockés. L'effacement supprime la charge piégée. La flash NAND connecte les cellules en chaînes et convient au stockage dense par blocs ; la flash NOR permet un accès direct à des emplacements individuels, utile pour le micrologiciel. Aucune ne nécessite de pièces mobiles.

Un capteur lumineux mesure l'intensité lumineuse, par exemple pour commander un lampadaire public lorsque la lumière du jour faiblit. Son signal analogique peut passer par un convertisseur A/N avant que le processeur ne le compare à un seuil. Indiquez la grandeur physique mesurée, la conversion si nécessaire, et l'action de contrôle résultante.

Une question de définition est notée selon un libellé fixe. Apprenez-les exactement et ne donnez qu'une seule réponse.

• Distinuez RAM (volatile, lecture/écriture) de ROM (non volatile, contient le bootstrap) ; SRAM (cache, plus rapide) de DRAM (mémoire principale, nécessitant un rafraîchissement).
• Pour un circuit logique, construisez l'expression booléenne porte par porte, puis une table de vérité couvrant toutes les combinaisons d'entrées.
• Apprenez le symbole, l'expression et la table de vérité pour chaque porte (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR).
• Expliquez un buffer (tampon temporaire reliant deux vitesses différentes) et le rôle d'une interruption.

Erreurs courantes

• Nommer l'appareil au lieu de décrire son fonctionnement. « Il utilise un laser » ne rapporte rien ; les étapes (charger le tambour, le laser retire la charge, le toner est attiré, transféré, fixé) rapportent les points.
• Dire qu'un système de surveillance "contrôle" quelque chose. Si rien ne modifie le processus physique, c'est une surveillance ; ajoutez l'actionneur et le retour d'information et cela devient un contrôle.
• Écrire que la RAM "stocke des fichiers de manière permanente" ou que la ROM "stocke les données de l'utilisateur". La RAM est une mémoire de travail volatile ; la ROM contient les instructions de démarrage fixes.
• Une table de vérité avec moins de $2^{n}$ lignes, ou des lignes dans un ordre aléatoire. Comptez en binaire de 000 à 111 pour ne manquer aucune combinaison.
• Dessiner deux fils sortant d'une même sortie de porte par précaution, ou laisser un fil qui ne termine nulle part. Dessinez exactement les connexions nécessaires à l'expression.