Logiciel

Un système informatique est composé de deux parties qui travaillent ensemble.

• Le matériel désigne les éléments physiques de l'ordinateur — ceux que l'on peut toucher. Exemples : le processeur (CPU), la mémoire, le clavier, l'écran et le disque dur.
• Le logiciel regroupe les programmes qui contrôlent l'ordinateur et ordonnent au matériel ce qu'il doit faire.

Le matériel ne peut rien faire d'utilisable tout seul. Le logiciel a besoin de matériel pour s'exécuter. Les deux sont nécessaires.

Le logiciel est divisé en deux types.

System software

Le logiciel système gère l'ordinateur lui-même et fournit une base sur laquelle d'autres programmes peuvent s'exécuter. Exemples :

• un système d'exploitation (voir ci-dessous) ;
• un compilateur et un lieur (outils qui transforment les programmes en une forme exécutable par l'ordinateur) ;
• un pilote de périphérique — logiciel permettant au système d'exploitation de contrôler un composant matériel ;
• des logiciels utilitaires — petits outils assurant l'entretien de l'ordinateur (par exemple antivirus, sauvegarde, nettoyage de disque).

Sous le système d'exploitation se trouve le micrologiciel — logiciel stocké en permanence sur ROM ou flash qui s'exécute dès l'allumage de l'ordinateur. Le BIOS et le chargeur de démarrage sont des micrologiciels : ils testent le matériel puis chargent le système d'exploitation. Ainsi, les couches s'empilent comme suit : matériel → micrologiciel → système d'exploitation → logiciels applicatifs, chaque couche s'appuyant sur celle située en dessous.

Application software

Les logiciels applicatifs permettent à l'utilisateur d'accomplir une tâche utile. Exemples :

• des logiciels de traitement de texte (rédaction de documents) ;
• des logiciels de tableur (manipulation de nombres dans une grille) ;
• un système de gestion de bases de données (stockage et recherche de données) ;
• un navigateur web (affichage de pages Web).

Un système d'exploitation (OS) est le principal système logiciel. Il contrôle tout l'ordinateur et permet au matériel, au logiciel applicatif et à l'utilisateur de travailler ensemble. Sans OS, l'ordinateur est très difficile à utiliser.

L'OS remplit de nombreux rôles :

• gérer les fichiers — sauvegarder, ouvrir, nommer, déplacer et supprimer des fichiers ;
• gérer les interruptions (voir ci-dessous) ;
• fournir une interface utilisateur afin que l'utilisateur puisse contrôler l'ordinateur ;
• gérer la mémoire — décider ce qui est conservé dans la RAM et où ;
• gérer les périphériques et leurs pilotes — contrôler des appareils comme les imprimantes ;
• gérer la multitâche — permettre à plusieurs programmes de s'exécuter simultanément ;
• fournir une plateforme pour exécuter des logiciels applicatifs.
• gérer la sécurité — comptes utilisateurs, mots de passe et droits d'accès.

Exemple corrigé. Identifiez la fonction du système d’exploitation dans chaque cas : (a) un élève enregistre une dissertation dans un dossier nommé Histoire ; (b) un pilote d’imprimante envoie un document à l’imprimante ; (c) la musique continue de jouer pendant que l’élève navigue sur le Web ; (d) un élève doit se connecter avant d’utiliser un ordinateur de l’école.

(a) gestion des fichiers ; (b) gestion des périphériques et de leurs pilotes ; (c) gestion du multitâche (le système d’exploitation partage le temps processeur et la mémoire entre les deux programmes) ; (d) gestion de la sécurité (comptes utilisateurs et droits d’accès). À l’examen, nommez la fonction et reliez-la à l’exemple donné.

Une interruption est un signal envoyé au processeur pour lui indiquer qu'il doit traiter une tâche immédiate.

Une interruption peut provenir de trois sources :

• matériel — par exemple une touche est pressée, ou une imprimante manque de papier ;
• logiciel — par exemple un programme essaie de diviser par zéro ;
• l’utilisateur — par exemple, l’utilisateur appuie sur une touche « annuler ».

Lorsqu'une interruption arrive, le processeur stoppe ce qu'il est en train de faire, sauvegarde son emplacement, et traite (gère) l'interruption. Une fois celle-ci traitée, il retourne à ce qu'il faisait auparavant. Cela permet à l'ordinateur de réagir rapidement aux événements importants.

Les interruptions ont des priorités différentes. Le processeur vérifie la présence d’interruptions à la fin de chaque cycle de recherche-exécution. Si une interruption a une priorité supérieure à celle de la tâche en cours, le processeur sauvegarde la tâche en cours et exécute la routine de traitement de l’interruption (ISR) correspondante. Une interruption de priorité inférieure attend dans une file jusqu’à ce que le processeur soit disponible.

Exemple corrigé. Un élève saisit un document pendant son impression et l’imprimante manque de papier. Décrivez comment l’ordinateur gère cette situation.

1. L’imprimante envoie une interruption matérielle au processeur.
2. À la fin de son cycle en cours, le processeur vérifie la priorité de l’interruption. Celle-ci est supérieure à celle de la tâche en cours : le processeur sauvegarde donc l’état de cette tâche (les valeurs de ses registres).
3. Il exécute la routine de traitement de l’interruption de l’imprimante, qui amène le système d’exploitation à afficher un message tel que « Plus de papier ».
4. Il restaure ensuite l’état sauvegardé et reprend le traitement de texte, afin que l’élève puisse continuer à saisir son document.
5. Lorsque du papier est ajouté, l’imprimante envoie une autre interruption et l’impression reprend.

Tous les ordinateurs traitent les données à l'aide de l'unité centrale de traitement (UCP). Pour faire exécuter des tâches à l'UCP, on écrit des programmes dans un langage de programmation. Il en existe deux catégories.

High-level languages

Un langage de haut niveau utilise du texte ressemblant à l'anglais (par exemple Python). Il se caractérise par :

• d'être facile à lire, écrire et corriger par les humains;
• d'être indépendant de l'ordinateur — le même programme peut s'exécuter sur différents types d'ordinateurs.

Langages de bas niveau

Un langage de bas niveau correspond directement aux fonctionnalités matérielles. Il comprend :

• le code machine — instructions écrites en binaire (0s et 1s), exécutées directement par l'UCP;
• le langage assembleur — code machine représenté par des mnémoniques (codes mots courts) au lieu du binaire.

Un langage de bas niveau est lié à un type de processeur spécifique, ce qui signifie qu'un programme conçu pour un processeur peut ne pas s'exécuter sur un autre. Il est utilisé lorsque le programmeur nécessite un contrôle total du matériel ou souhaite obtenir du code très rapide et compact.

L'UCP ne peut exécuter que du code machine. Un programme en haut niveau doit d'abord être converti en code machine. Le logiciel effectuant cette conversion est un traducteur. Il en existe trois types : un compilateur et un interpréteur (pour le code haut niveau), ainsi qu'un assembleur (pour le code bas niveau).

Compilateur

Un compilateur traduit le programme entier en code machine avant son exécution. Une fois traduits, les codes machines peuvent être exécutés plusieurs fois sans avoir besoin de recompiler.

• la traduction a lieu une seule fois, en intégralité;
• il génère un rapport d'erreur couvrant l'ensemble du code source, listant les erreurs de traduction détectées;
• le programme final s'exécute rapidement et ne nécessite pas la présence du compilateur pour tourner.

Interprète

Un interpréteur traduit et exécute le programme ligne par ligne.

• il s'arrête à la première erreur rencontrée, ce qui facilite le débogage;
• le programme s'exécute plus lentement, car il est traduit à chaque lancement;
• l'interpréteur doit être présent à chaque exécution du programme.

Utilisez un compilateur lorsque vous souhaitez distribuer un programme final rapide. Utilisez un interpréteur lors de l'écriture et du test d'un programme pour repérer facilement les erreurs.

Comparaison expliquée — quand a lieu l'exécution ?

À vous. Utilisez les modèles du syllabus : compilation de tout le programme et interprétation ligne par ligne. Examinez cette courte description de source ; il ne s'agit pas d'un programme dans un langage particulier.

La ligne 2 contient une erreur de traduction. Que s'affiche-t-il avant que cette erreur ne soit signalée par chaque traducteur ? La ligne 3 sera-t-elle exécutée ? Expliquez l'ordre de la traduction et de l'exécution.

Tracé du compilateur. Tout le code source est traduit avant l'exécution. L'erreur dans la ligne 2 provoque l'échec de la compilation. Un rapport d'erreur est fourni pour l'ensemble du code source. Le nouveau programme n'est pas exécuté, donc ni Start ni Done ne s'affichent.

Tracé de l'interpréteur. La ligne 1 est traduite et exécutée, affichant Start. L'interpréteur rencontre ensuite l'erreur dans la ligne 2 et interrompt l'exécution à cet endroit. La ligne 3 n'est jamais atteinte, donc Done ne s'affiche pas.

Ces tracés illustrent le modèle du syllabus ; les outils de langage réels peuvent combiner ces approches. Un traducteur signale uniquement les erreurs qu'il peut détecter, et non toutes les fautes logiques possibles dans le programme.

Transfert — développement et publication. Une équipe souhaite localiser les erreurs lors du test de courts extraits. Plus tard, les clients doivent exécuter le programme fini plusieurs fois sans installer son traducteur. Choisissez un traducteur pour chaque étape et expliquez pourquoi. Dans l'environnement de développement intégré (EDI), nommez un outil pour saisir le code source et un outil pour investiguer une erreur signalée. Enfin, décidez si une traduction réussie prouve qu'un total calculé est correct.

Réponse corrigée. Selon le modèle syllabique, un interpréteur convient au développement : la traduction et l'exécution ligne par ligne s'arrêtent à l'erreur rencontrée, aidant l'équipe à la localiser. Un compilateur convient à la publication : une compilation réussie crée un fichier exécutable qui peut être exécuté plusieurs fois sans le compilateur. Le code source inchangé ne nécessite pas de retranslation pour chaque exécution. Un éditeur de code saisit et modifie le code source ; les diagnostics d'erreurs aident à localiser et expliquer les erreurs signalées ; l'environnement d'exécution permet à l'équipe de tester le programme. Un mauvais total peut résulter d'une logique défectueuse après une traduction réussie. Testez avec des entrées connues, comparez les résultats réels et attendus, et investiguez le calcul.

Assembleur

Un assembleur traduit un programme en langage assembleur de bas niveau (écrit en mnémotechniques telles que LDA, ADD) en code machine. Chaque mnémonique devient une instruction machine — une traduction directe un-à-un, contrairement à un compilateur ou un interpréteur, qui traitent du code de haut niveau.

Exemple corrigé. Une équipe écrit un programme. Pendant son développement, elle souhaite trouver et corriger rapidement les erreurs ; lors de sa distribution, elle veut que les clients puissent l’exécuter rapidement sans voir le code source. Quel traducteur convient à chaque étape ? Pendant le développement, utilisez un interpréteur : il traduit et exécute une ligne à la fois et s’arrête à la première erreur, ce qui permet de la localiser facilement. Pour la distribution, utilisez un compilateur : il traduit une fois tout le programme en code machine, qui s’exécute ensuite rapidement sans traducteur, et le client ne reçoit que l’exécutable plutôt que le code source. Les deux ne sont pas rivaux : nommez l’étape et donnez la raison, car dire seulement « un compilateur est plus rapide » ne rapporte aucun point.

Un environnement de développement intégré (EDI) est un logiciel qui aide à écrire des programmes. Il regroupe de nombreux outils utiles dans un seul endroit :

• un éditeur de code — pour taper votre programme;
• un environnement d'exécution — pour exécuter le programme afin de le tester;
• un traducteur — un compilateur ou un interpréteur pour convertir votre code en code machine;
• les diagnostics d'erreurs — des messages qui aident à trouver et comprendre les fautes;
• l'autocomplétion et l'autocorrection — l'EDI termine ou corrige le code à mesure que vous tapez;
• l'esthétique du code — présenter le code proprement avec des couleurs et des retraits pour faciliter sa lecture.

• Le matériel (Hardware) désigne les composants physiques ; le logiciel (Software) désigne les programmes. Le logiciel système fait fonctionner l'ordinateur (Système d'exploitation, pilotes, utilitaires) ; le logiciel applicatif effectue une tâche pour l'utilisateur.
• Un compilateur traduit le programme entier d'un coup (le programme final s'exécute vite et toutes les erreurs sont signalées à la fin) ; un interpréteur traduit ligne par ligne (il s'arrête à la première erreur, s'exécute plus lentement et est requis à chaque lancement).
• Les langages de haut niveau sont proches de l'anglais et fonctionnent sur tout ordinateur ; les langages de bas niveau (assembleur, code machine) sont liés à un type de CPU spécifique.
• Une interruption (interrupt) est un signal qui force le CPU à s'arrêter, sauvegarder sa position, traiter l'événement, puis reprendre là où il était arrêté.
• Apprenez les rôles du système d'exploitation : gestion des fichiers, de la mémoire, des périphériques, du multitâche, de la sécurité et de l'interface utilisateur.