Matériel

L'unité centrale de traitement (CPU) est la partie de l'ordinateur qui traite les données et exécute les instructions. Elle exécute les programmes en répétant un cycle des milliards de fois par seconde. Son rôle est simple à énoncer : le CPU traite les instructions et les données entrées dans l'ordinateur afin que le résultat puisse être fourni en sortie.

Un microprocesseur est un type de circuit intégré sur une seule puce. Un CPU est généralement construit sous forme de microprocesseur ; les petits ordinateurs intégrés aux machines à laver et aux voitures sont aussi des microprocesseurs.

La plupart des ordinateurs suivent l'architecture de Von Neumann·: les instructions du programme et ses données sont stockées ensemble dans la même mémoire principale (RAM), et le CPU les récupère une à une, par les mêmes bus, pour les traiter.

Composants du CPU

Les parties sont reliées par des bus — des ensembles de fils qui transportent les informations :

• le bus d'adresses transporte les adresses mémoire (dans un seul sens) ;
• le bus de données transporte les données et les instructions (dans les deux sens) ;
• le bus de commande transporte les signaux de commande.

Registres spéciaux

Ces registres sont utilisés pendant le cycle fetch–execute (prélèvement-exécution).

Le cycle fetch–execute

Le cycle de recherche et d'exécution comporte trois étapes, répétées continuellement :

1. Recherche — l'instruction est copiée de la mémoire vers le CPU (à l'aide du PC, du MAR et du MDR). Le PC est ensuite augmenté de 1.
2. Decode (décodeage) — l'unité de contrôle détermine la signification de l'instruction.
3. Execute (exécution) — l'instruction est exécutée (l'ALU peut effectuer un calcul, avec le résultat allant vers l'accumulateur).

Les questions d'examen demandent souvent de décrire l'étape de recherche registre par registre. Apprenez cet ordre :

1. L'adresse contenue dans le PC est copiée dans le MAR.
2. L'adresse est envoyée à la RAM par le bus d'adresses, et un signal de lecture est envoyé par le bus de commande.
3. L'instruction située à cette adresse est envoyée au MDR par le bus de données.
4. L'instruction est copiée du MDR vers le CIR.
5. Le PC est incrémenté (augmenté de 1), de sorte qu'il pointe vers l'instruction suivante.

La CU décode ensuite l'instruction dans le CIR et celle-ci est exécutée : la CU envoie des signaux et l'ALU effectue les calculs ou comparaisons nécessaires, en stockant le résultat dans l'ACC.

Exemple corrigé (4 points). Décrivez le rôle du MAR et du MDR dans l'étape de recherche. Réponse complète : « Le MAR contient l'adresse de l'instruction à récupérer, copiée depuis le PC (1). Cette adresse est envoyée à la RAM par le bus d'adresses (1). L'instruction stockée à cette adresse est envoyée par le bus de données et stockée dans le MDR (1). Le MDR transmet ensuite l'instruction au CIR (1). » Chaque point correspond à un registre et à ce qu'il contient ou fait.

Mémoire cache

La mémoire cache est une petite quantité de mémoire très rapide située dans le CPU ou à proximité. Elle stocke les données et les instructions que le CPU utilise souvent. Le CPU peut lire la mémoire cache beaucoup plus rapidement que la mémoire principale, ce qui accélère le fonctionnement de l'ordinateur.

Facteurs influençant la performance du CPU

Exemple résolu. Deux ordinateurs sont identiques sauf que A possède un CPU mono-core à 3,0 GHz avec 2 Mo de cache, et B possède un CPU quad-core à 2,4 GHz avec 8 Mo de cache. Lequel est préférable pour le montage vidéo et pourquoi ? Le montage vidéo se divise en nombreuses tâches pouvant s'exécuter simultanément ; les quatre cores de B peuvent donc traiter plusieurs flux en parallèle tandis qu'A ne peut travailler que sur un seul à la fois. La cache plus grande de B maintient également plus de données fréquemment utilisées près du CPU, réduisant ainsi la fréquence des accès à la RAM. B est le meilleur choix, même si A a une vitesse d'horloge supérieure. Ne jamais répondre uniquement sur la base de la vitesse d'horloge : pondérez cores, cache et vitesse d'horloge ensemble, et reliez chacun d'eux à la tâche à accomplir.

Jeux d'instructions

Un jeu d'instructions est la liste de toutes les commandes qu'un CPU peut traiter. Les commandes sont en code machine (binaire). Chaque famille de CPU possède son propre jeu d'instructions : un programme en code machine destiné à un type de CPU ne fonctionnera donc pas sur un autre type.

Systèmes embarqués

Un système embarqué est un petit ordinateur intégré à un appareil plus grand pour effectuer une tâche précise. Il est dédié à cette tâche, généralement petit et peu coûteux, et ne possède pas de système d'exploitation généraliste. Exemples : une machine à laver, un four à micro-ondes, un décodeur, le système de gestion du moteur d'une voiture, un système de sécurité, un système d'éclairage et un distributeur automatique.

Il diffère d'un ordinateur à usage général, comme un ordinateur de bureau ou portable, qui peut exécuter de nombreux programmes différents pour effectuer de nombreuses tâches. Pour déterminer si un appareil est embarqué, demandez-vous : remplit-il une seule fonction dédiée ?

Un périphérique d'entrée envoie des données dans l'ordinateur.

Un écran tactile peut fonctionner de trois manières :

• résistif — deux couches sont pressées l'une contre l'autre à l'endroit du contact ;
• capacitif — il détecte la faible charge électrique de votre doigt ;
• infrarouge — votre doigt interrompt une grille de faisceaux lumineux.

Capteurs

Un capteur est un périphérique d'entrée qui recueille des données de son environnement. Il mesure une grandeur physique et la transmet à l'ordinateur, afin qu'un système puisse surveiller ou commander quelque chose sans qu'une personne effectue les relevés. Apprenez les données recueillies par chacun :

Deux paires sont faciles à confondre : l’humidité de l’air correspond à l’eau présente dans l’air, tandis que l’humidité d’un solide correspond à l’eau présente dans un solide comme le sol ; le niveau mesure la hauteur d’un liquide, tandis que le débit mesure la vitesse à laquelle il s’écoule.

Exemple corrigé (choix d’un capteur). L’abreuvoir d’une ferme doit se remplir lorsqu’il est vide. Identifiez le capteur le plus approprié. Le système doit connaître la hauteur de l’eau : la réponse est donc un capteur de niveau. Un capteur de pression placé sous l’abreuvoir pourrait aussi fonctionner, mais un capteur de « niveau » convient le mieux à cette tâche. Choisissez toujours le capteur en fonction de la grandeur que le système doit connaître.

Un capteur seul ne fait que mesurer. Dans un système de commande, un microprocesseur prend la décision et un actionneur (un périphérique de sortie) agit. La boucle se répète en permanence. (Le document 6 traite en détail des systèmes automatisés.)

Exemple corrigé (6 points). Une porte de train ne doit se fermer que lorsqu’aucun passager ne se trouve dans son ouverture. Expliquez comment un capteur et un microprocesseur sont utilisés. Une réponse complète, à raison d’un point par élément :

1. Un capteur de proximité (ou infrarouge) est placé près de la porte.
2. Le capteur envoie continuellement des mesures au microprocesseur ; une mesure analogique est d’abord convertie en numérique.
3. Le microprocesseur compare la mesure à une valeur stockée (par exemple, un objet situé à moins de 20 cm).
4. Si la mesure indique qu’une personne se trouve dans l’ouverture, la porte reste ouverte (un avertissement sonore peut retentir).
5. Si la mesure indique que l’ouverture est dégagée, le microprocesseur envoie un signal à l’actionneur pour fermer la porte.
6. Le processus se répète continuellement jusqu’à la fermeture de la porte.

Un périphérique de sortie envoie des données hors de l'ordinateur vers l'utilisateur.

Décrire le fonctionnement d’un périphérique de sortie

Une question comme « Décrivez le fonctionnement d’une imprimante laser » est notée à raison d’un point par étape correcte, dans l’ordre : apprenez donc le fonctionnement de chaque périphérique sous forme d’une courte séquence.

Imprimante à jet d’encre.

1. Le pilote de l’imprimante transforme le document en données utilisables par l’imprimante. Les données sont stockées dans la mémoire tampon de l’imprimante (une petite mémoire), afin que l’ordinateur puisse poursuivre d’autres tâches.
2. La tête d’impression se déplace sur le papier. Ses minuscules buses projettent des gouttes d’encre aux endroits nécessaires pour former l’image. Une goutte est expulsée soit en chauffant l’encre, ce qui crée une bulle (bulle thermique), soit grâce à un cristal qui change de forme lorsqu’un courant le traverse (piézoélectricité).
3. Un moteur fait avancer légèrement le papier et la tête imprime la ligne suivante, jusqu’à ce que la page soit terminée.

Imprimante laser.

1. Les données passent par le pilote et sont stockées dans la mémoire tampon de l’imprimante.
2. Un tambour rotatif reçoit une charge électrique. Un faisceau laser balaie le tambour et modifie la charge partout où la page doit être imprimée, laissant sur le tambour un motif correspondant à la page.
3. Le tambour est recouvert de toner (une poudre fine), qui n’adhère qu’au motif chargé.
4. Le papier chargé passe devant le tambour et le toner se dépose sur le papier.
5. Le papier passe dans une unité de fusion (des rouleaux chauffants), qui fait fondre le toner pour le fixer au papier.
6. Une lampe élimine la charge du tambour, qui est ainsi prêt pour la page suivante.

Imprimante 3D. L’objet est conçu à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur, qui le découpe en fines couches horizontales. L’imprimante construit ensuite l’objet couche par couche, par exemple en extrudant du plastique fondu à travers une buse chauffée, et chaque couche durcit sur celle du dessous.

Haut-parleur. Les données sonores numériques sont transformées en signal analogique par un convertisseur numérique-analogique (CNA), puis amplifiées. Le courant variable traverse une bobine placée près d’un aimant : la bobine et le cône qui y est fixé effectuent alors des mouvements de va-et-vient, et les vibrations du cône produisent les ondes sonores.

Erreur fréquente. Décrire une imprimante laser en disant qu’« un laser brûle l’image sur le papier ». Le laser ne touche jamais le papier : il modifie uniquement la charge du tambour, et l’image est formée par le toner fondu et fixé par l’unité de fusion.

Le stockage primaire est une mémoire que le processeur peut utiliser directement. Il en existe deux types.

Les deux sont nécessaires : la ROM indique à l'ordinateur comment démarrer, puis la RAM contient les programmes que vous lancez.

Le stockage secondaire conserve les données de façon permanente, même lorsque l’alimentation est coupée. Il est non volatile et sert au stockage à long terme. Il en existe trois types.

Fonctionnement de chaque type. Les questions vous demandent de décrire le fonctionnement de chaque type :

• Magnétique — un disque dur possède un ou plusieurs plateaux qui tournent. Chaque plateau est divisé en pistes (anneaux) et en secteurs (parties d’une piste). Une tête de lecture-écriture, un électroaimant, se déplace sur le plateau : elle aimante de minuscules zones pour écrire les données et les détecte pour les lire. Comme il comporte des pièces mobiles, son accès est plus lent que celui du stockage électronique et il peut se casser en cas de chute.
• Optique — un laser grave des creux à la surface du disque ; les zones plates entre eux sont des plats. Pour la lecture, un laser éclaire le disque en rotation : les plats réfléchissent la lumière, les creux la diffusent et les variations sont lues en binaire. Les CD, DVD et Blu-ray fonctionnent ainsi ; le Blu-ray utilise un laser bleu de longueur d’onde plus courte, ce qui permet d’avoir des creux plus petits et de stocker davantage de données.
• Électronique (mémoire flash) — les données sont stockées dans une grille de transistors, à l’aide de la technologie NAND ou NOR. Chaque transistor possède une grille de commande et une grille flottante. Des électrons piégés sur la grille flottante stockent un 0 ou un 1 et y restent lorsque l’alimentation est coupée. Il n’y a aucune pièce mobile : ce stockage est donc rapide, silencieux et robuste.

Lorsque la RAM est pleine, l’ordinateur peut utiliser une partie du stockage secondaire comme mémoire vive supplémentaire simulée. On parle de mémoire virtuelle.

La mémoire virtuelle est créée dans une zone du stockage secondaire. Les données sont déplacées par blocs appelés pages : une page qui n’est pas nécessaire immédiatement est déplacée de la RAM vers la mémoire virtuelle, ce qui libère de l’espace dans la RAM pour d’autres programmes. Lorsque cette page est de nouveau nécessaire, elle est replacée dans la RAM. Cela permet d’exécuter plus de programmes que la RAM seule ne pourrait en contenir. L’exécution est plus lente, car le stockage secondaire est beaucoup plus lent que la RAM.

Le stockage dans le cloud conserve vos données sur des serveurs physiques distants, accessibles par Internet, au lieu de les conserver sur votre propre appareil.

• Avantages : y accéder depuis n'importe où et sur n'importe quel appareil ; aucun matériel de stockage local à acheter ou entretenir ; partage facile de fichiers et sauvegarde automatique aisée.
• Inconvénients : nécessite une connexion Internet fonctionnelle ; coût d'abonnement continu ; sécurité et confidentialité dépendent du fournisseur ; vous dépendez de la disponibilité et de la pérennité de ce fournisseur.

Carte réseau (NIC)

Une carte d’interface réseau (NIC) est le matériel qui permet à un appareil de se connecter à un réseau et d’envoyer et de recevoir des données. Chaque carte possède une adresse MAC intégrée.

Adresse MAC et adresse IP

• Une adresse MAC (adresse de contrôle d’accès au support) est un numéro qui identifie un appareil physique. Elle est définie par le fabricant et ne change normalement pas. Elle s’écrit en hexadécimal.
• Une adresse IP (adresse de protocole Internet) est un numéro qui identifie un appareil sur un réseau. Elle est attribuée par le réseau et peut changer.

Ainsi, une adresse MAC reste attachée à l'appareil, tandis qu'une adresse IP dépend du réseau utilisé par l'appareil.

Il existe deux versions d’adresse IP. IPv4 est sur 32 bits et s’écrit sous forme de quatre nombres décimaux de 0 à 255 (par exemple 192.168.0.1) ; la version plus récente IPv6 est sur 128 bits et s’écrit sous forme de huit groupes hexadécimaux séparés par des deux-points, ce qui fournit beaucoup plus d’adresses. Une adresse est aussi soit statique (fixe, définie manuellement et ne changeant jamais), soit dynamique (attribuée par le routeur ou le réseau à chaque connexion de l’appareil, elle peut donc changer).

Routeur

Un routeur relie différents réseaux entre eux, par exemple votre réseau domestique à Internet. Il lit l’adresse IP de chaque paquet et le transmet vers le réseau approprié.

• Apprenez le cycle fetch–decode–execute et les registres spéciaux : le program counter contient l'adresse de l'instruction suivante, le MAR/MDR transportent l'adresse/données, et le accumulator contient le résultat de l'ALU.
• La performance du CPU s'améliore avec davantage de cores, une cache plus grande et une clock speed plus élevée.
• La RAM est volatile (elle perd ses données sans alimentation) et contient les programmes en cours d'utilisation ; la ROM est non-volatile et en lecture seule (les instructions de démarrage).
• Pour une question demandant de « décrire comment le capteur et le microprocesseur sont utilisés », écrivez la boucle : le capteur envoie une mesure → le microprocesseur la compare à une valeur stockée → un signal est envoyé à l’actionneur → le processus se répète. Nommez le capteur qui mesure la bonne grandeur (le niveau, et non le débit, pour un réservoir qui se vide).
• Mentionnez Von Neumann : les instructions et les données partagent la même mémoire. Un microprocesseur est un circuit intégré sur une seule puce.
• Associez les types de stockage secondaire : magnétique (HDD, bande), optique (CD/DVD, lu par un laser), à état solide (SSD, USB, flash — sans pièces mobiles).
• Une adresse MAC identifie l'appareil physique et ne change normalement pas ; une adresse IP est attribuée par le réseau et peut changer.