Historique et évolutions d'ordinateurs

Chapitre 1

Historique et évolution des ordinateurs

Repères historiques

Les premiers registres

- Abaque: première tablette à calculer en Mésopotamie

- Boulier: vers 3500 av. J.C en Chine

Pas d’amélioration jusqu’au 17ème siècle.

• 1614: John Napier (Écosse) découvre les logarithmes: multiplications et la division transformées en une successions

• 1620: mise en œuvre de cette invention au moyen de la règle à calcul.

Les machines à calculer

1623: machine de Schickard (Allemagne):

fonctionnement mécanique basé sur le

principe de tiges proportionnelles aux log. des nombres impliqués dans ces opérations.

• 1643: Pascaline de Pascal (France):

fonctionnement mécanique à système de roues à ergot. Additions + soustractions et faisait aussi des reports.

• 1673: amélioration de la Pascaline par Leibniz (Allemagne). Effectue les quatre opérations de base + extraction de racines carrées. Non construite faute de moyens financiers

.

Machines à cartes perforées

• 1801: industrie de textile (France) Jacquard et Falcon

• 1887: Hollerith (USA) machine à lire des cartes (CENSUS MACHINE) utilisée dans le recensement aux USA.

Ordinateur primitif

1830: Charles Babbage – machine à

différences- utilise les principes de report de la Pascaline combinés avec les cartes

• 1834: Charles Babbage- machine

analytique- système de numérotation décimal; accepte des nombres de 50

chiffres et en résultat, un nombre de 100

chiffres (imprimé, cartes perforées, courbe) - projet non finalisé.

Cette machine réunissait déjà des fonctions automatiques essentielles: mémoire-

dispositifs de calcul - fonction de commande et d’entrée-sortie

La machine analytique de

C. Babbage

• 1930: L'Enigma et les Bombes

Composée d'un clavier, de 26 lampes pour représenter l'alphabet et généralement de 3 rotors, l‘Enigma était destinée à l'origine à crypter des documents d'affaires.

• 1939 ABC par J. ATANASHOFF et

Clifford BERRY. Ce calculateur a été le

premier à utiliser le système binaire et était capable de résoudre des équations à 29

1941 Z3 par K. ZUSE.

Composé de 2600 relais, d'un lecteur de bandes et d'une console pour l'opérateur, sa mémoire pouvait contenir 64 nombres de 22 chiffres exprimés en virgule

flottante. Il réalisait une multiplication en trois à cinq secondes.

1943 ASCC ou Harvard MARK 1 par H.

AIKEN. Cette machine, construite en

collaboration avec IBM, utilise un principe inspiré par les travaux de C. BABBAGE. Composée de 765 299 éléments, elle pesait 5 tonnes et avait besoin de plusieurs

tonnes de glace par jour pour la refroidir. Ses performances et sa fiabilité étaient

remarquables mais elle ne pouvait effectuer aucun saut conditionnel.

1943 Colossus I Composé de 1 500 lampes

et d'un lecteur de bandes capable de lire 5000 caractères à la seconde. Ce

calculateur électronique anglais a été

conçu pour décoder les messages chiffrés par la machine de Lorentz allemande qui était un téléscripteur doté de rotors

(utilisant un principe assez proche de l‘Enigma).

1946 ENIAC, par J. ECKERT et J. MAUCHLY

(Electronic Numerical Integrator and Computer)

Commandé par l'armée des États-Unis en 1943 pour effectuer les calculs de

balistique, il remplaçait 200 personnes

chargées auparavant de calculer les tables de tir. Il occupait 23 m³, pesait 30 tonnes,

La machine ENIAC est disposée en U de 6 mètres de largeur par 12 mètres de longueur.

1948: IBM SSEC, par Wallace Eckert

(Selective Sequence Electronic Calculator) Ce calculateur composé de 20 000 relais et de 12 500 tubes a servi pour le calcul de

tables de positions de la lune, mais a surtout été une vitrine technologique (il était

1948: Manchester Mark 1 (ou Ferranti Mark I) Bâtie sur des plans de J.

NEUMANN par une équipe anglaise. Ce prototype est le premier à disposer d'une unité de commande interne et à suivre un programme enregistré. C'est sur cette

machine de 1300 tubes qu'est utilisée pour la première fois la mémoire à tubes

1949: EDSAC, par Maurice WILKES (Electronic Delay Storage Automatic Computer)

Cet ordinateur numérique et électronique est basé sur l'architecture de J.

NEUMANN. Composé de 3000 tubes et

consommant 30KW, il utilise une mémoire de type "lignes de retard à mercure". Il

s'agit d'une machine parfaitement

opérationnelle qui a été construite dans un laboratoire de l'Université de Cambridge

1951: Whirlwind Premier ordinateur "temps

réel "

1955: Premier calculateur transistorisé: TRADIC

1960: PDP-1 (Programmed Data Processor)

C'est le précurseur des "minis". Vendu pour $125 000 (une fraction du coût d'un

ordinateur de l'époque) et livré sans logiciels, il était plutôt ciblé pour les scientifiques et les ingénieurs.

1959: IBM 1401: Utilisant des transistors et

des mémoire à tores de ferrite, fourni avec un générateur d'applications (RPG) destiné à en faciliter l'utilisation, cet ordinateur a marqué une étape dans l'ère de la

comptabilité. L'imprimante (1403) associée était d'une rapidité exceptionnelle (600

lignes par minutes !). IBM avait tablé sur un millier de ventes... plus de 12 000

1964: IBM System/360: Alors que tous ses

ordinateurs utilisaient des architectures et logiciels incompatibles entre eux, IBM décida d'investir plusieurs millions de dollars et de développer une gamme

entièrement nouvelle : 6 ordinateurs et 44 périphériques, ayant des capacités

différentes mais tous compatibles entre eux. La technologie utilisée, loin d'être

innovante, était transistors et mémoire à tores.

1965: Premier mini-ordinateur diffusé

massivement: PDP-8 de DEC

1973: Micral-N de R2E

C'est le premier micro-ordinateur du

monde, il a été inventé par A. TRUONG, fondateur de R2E: une petite société

1973: l'Alto (renommé Xerox Star en 1981)

de XEROX

Ce prototype, pensé pour devenir le bureau du futur, est un condensé des

idées proposées par les chercheurs réunis par XEROX au Palo-Alto Research

Center (PARC). Il est le premier à

introduire l'idée de fenêtres et d'icônes que l'on peut gérer grâce à une souris.

Principalement, en raison de son coût, cet ordinateur ne connaîtra qu'un succès

1975: Altair 8800 de ED. ROBERTS (MITS)

Il est considéré par les Américains comme le premier micro-ordinateur du monde, bien que ce soit le Micral-N. Cependant, c'est pour l'Altair que sera le premier

BASIC Microsoft.

1976: CRAY I: Créé par Saymour CRAY,

c'est le premier ordinateur à architecture vectorielle.

1978: DEC VAX 11/780 (Virtual Address

eXtension)

Premier modèle de "supermini", cet

ordinateur 32 bits pouvait exécuter des

programmes écrits pour le PDP-11. Il avait aussi suffisamment de ressources pour

supporter des applications qui étaient

jusqu'ici réservées aux gros mainframes. Il reste aussi célèbre pour son système

1982: Cray X-MP Composé de deux

Cray I mis en parallèle, il est 3 fois

plus puissant que celui-ci.

1981: IBM-PC (Personnal Computer)

Cet ordinateur, qui n'apporte aucune

idée révolutionnaire, est la réaction du

n°1 mondial face à la

micro-informatique : Il était fait d'une

accumulation de composants standards

et de logiciels sous-traités

(principalement auprès de Microsoft)

dans le but de minimiser le temps

1983: Lisa d'APPLE

Steve JOBS, très intéressé par l'Alto reprendra la plupart des idées de celui-ci pour le compte d'APPLE, en particulier la notion d'interface graphique (GUI) et

l'utilisation de la souris. Cependant, ce

micro-ordinateur ne connaîtra pas non plus de succès commercial.

1984: Amiga Utilisant un microprocesseur

Motorola 680x0, ce micro-ordinateur reste parmi les leaders pour ce qui est du

graphisme et de la musique.

1984: Macintosh d'APPLE. Basé sur le projet

LISA, c'est l'ordinateur convivial par

excellence: Son utilisation est très simple grâce à la souris et à la qualité de ses

graphismes. Il devient au fil des années, et des différentes versions, l'autre grand

1985: Cray II : Miniaturisé, il est 10 fois plus

puissant que son prédécesseur, le Cray I.

1986: The Connection Machine Premier

ordinateur "massivement parallèle" composé de 16 000 processeurs.

1994: Paragon d'Intel. Coûtant 20 Millions

de dollars, occupant un volume de 48m3, il est composé de 2000 processeurs et de 64 Giga-octets de mémoire. Il peut effectuer

150 milliards d'opérations en virgule flottante par seconde

1994: PowerMac d'APPLE

Basé sur le microprocesseur POWER-PC réalisé par Motorola en collaboration avec IBM, il était présenté comme le successeur commun du PC et du MAC. Cependant, malgré de très bonnes

1998: iMac d'APPLE

L'iMac était l'ordinateur d'Apple pour le

nouveau millénaire. Il a également marqué le retour d'Apple (et de MacOS) au devant de la scène. C'est l'ordinateur le plus original depuis le premier Mac de 1984: Design très

particulier, écran et unité centrale intégrés dans un seul boîtier, ports USB et pas de lecteur de disquette interne

.

Ordinateur et changements

technologiques

• Première génération: Tubes électroniques (lampes à vide)

• Deuxième génération: transistors

• Troisième génération: circuits intégrés

• Quatrième génération: microprocesseurs. • Cinquième génération: intelligence

Première génération

1949-1957

• Ordinateur à cartes perforées et à bandes magnétiques

• Programmation physique en langage machine

• Appareils immenses, lourds, énergie élevée • Utilisation de tubes à vide et à mémoires à

Deuxième génération

1958 - 1964

• Utilisation de transistors et des mémoires à ferrite.

• Utilisation de mémoires de masse pour le stockage périphérique.

• Temps d’accès moyen (de l’ordre de la micro-seconde).

Troisième génération

1965-1971

• Miniaturisation des composants (circuits intégrés)

• Apparition des systèmes d’exploitation • Concepts de temps partagés

• Machines polyvalentes et de capacité variée • Appareils modulaires et extensibles

• Multitraitement (plusieurs programmes à la fois)

Quatrième génération

1971-1982

• Miniaturisation extrêmes des composants • Apparition des microprocesseurs

• Diversification des champs d’application • Apparition de la micro-informatique

• L’aspect logiciel prend le pas sur l’aspect matériel

Cinquième génération

• Miniaturisation des composants poussée à l’extrême

• Vitesse proche de celle de la lumière. • Nouvelle architecture physique

• Possibilité de choix d’ordre des vecteurs séquentiels à traiter

• Vitesse de traitement augmentée jusqu’au gigalips (Logical Inference: de 100 à 1000 instructions)

• Processeurs en parallèle

• Nouvelles structures et représentations des données.

• Ajout du traitement de l’aspect sémantique à celui de l’aspect syntaxique de

l’information

Alternatives à cette classification

1- architectures et conception (PC compatibles vs. Apple)

2- super-ordinateurs: SIMD vs. MIMD 3- RISC vs. CISC

4- taille: super, gros, mini, station ou micro ordinateurs

Évolution de la programmation

• Ada Byron (1816-1852): première programmatrice pour la machine de Babbage

• Adèle Goldstine: programme pour ENIAC en 1946.

• Les premiers programmes en Langage

machine (0 et 1)

• Fortran (Formula Translator) vers

1950 par J. Backus.

• Apparurent aussi des langages

spécialisés comme le GPSS

(simulation) et APT (commande de

machines à outils)

• Vers la fin de 1950:

• Cobol: applications de gestion.

• PL/1: dans le but de traiter plusieurs genres d’applications (universels). Apparurent

ensuite les langages Pascal, Modula, C, ... • La micro-informatique a répandu le Basic • Langages fonctionnels (Lisp): utilisé dans

le traitement des expressions symboliques • Langages Logiques (Prolog): intelligence

artificielle; pouvoir d’inférence

• Langages interrogatifs (bases de donnée) tels SQL

• D’autres types de langages sont apparus,

tels ceux de description: le langage HTML (Hyper Text Markup Language: permet de décrire un document dans le but de le

visionner dans un navigateur internet).

• Il existe aussi des langages permettant de piloter d’autres éléments tels les langages de script dans UNIX.

Structure des ordinateurs

John Von Neumann est à l'origine (1946)

d'un modèle de machine universelle (non spécialisée) qui caractérise les machines possédant les éléments suivants :

• une mémoire contenant programme (instructions) et données,

• une unité arithmétique et logique (UAL ou ALU en anglais),

• une unité permettant l'échange

d'information avec les périphériques :

l'unité d'entrée/sortie (E/S ou I/O),

( clavier, lecteur de cartes perforées, ruban, ... écran, imprimante, cartes perforées, ....)

Caractéristiques de la machine de

J. Von Neumann

• Machine contrôlée par programme • Programme enregistré en mémoire

• Instruction du programme codée sous forme binaire

• Le programme peut modifier ses instructions • Exécution des instructions en séquence

Schéma de la machine de

Von Neuman

Ces dispositifs permettent la mise en oeuvre des fonctions de base d'un ordinateur : le stockage de données, le traitement des données, le mouvement des données et le contrôle. Le fonctionnement schématique en est le suivant :

Unité de Commande

1. extrait une instruction de la mémoire, 2. analyse l'instruction,

3. recherche dans la mémoire les données concernées par l'instruction,

5. range au besoin le résultat dans la mémoire.

! La majorité des machines actuelles

Quelques mots sur la mémoire

Ce système qui deviendra un standard est la généralisation de la carte perforée qui est à l'origine de la compagnie.

• Mémoires à tubes Williams

Développée par F. C. Williams, ce type de

mémoire utilise les charges résiduelles laissées sur l'écran d'un tube cathodique après qu'il ait été frappé par le faisceau d'électron.

Bande magnétique

Mémoires vives à tores de ferrite

Pendant une petite vingtaine d'année, ce principe de mémoire sera le plus utilisé avant d'être remplacé par la mémoire à semi-conducteurs.

Tambour magnétique Disque magnétique

Aussi appelé disque dur, ce type de support deviendra incontournable

Mémoires à semi-conducteurs Disques souples

Mémoire magnétique à bulles (Intel) Mise au point par Intel Magnetics , c'est une technologie qui offrait une très grande fiabilité même dans des conditions de fonctionnement extrêmes.

Disque Opto-Numérique (aussi appelé

Compact Disc ou Disque Optique Compact) Disque de plastique de 12 cm de diamètre et 1,2 mm d'épaisseur lu par un faisceau laser

où l'on peut stocker environ 75

minutes de musique. Son

succès, outre son format, vient

de l'exceptionnelle qualité de

reproduction sonore, de sa

faible fragilité ainsi que de son

inusabilité pas de contact).

CD-ROM (Sony et Philips) (Compact Disc

Read Only Memory) - Cédérom en français Version informatique du CD permettant de stocker à la fois du texte, des images, des sons... Sa capacité était exceptionnelle pour l'époque: 680 Mo.

R.N.I.S (Réseau Numérique à Intégration de

Services) - Baptisé Numéris par France Télécom

Réseau publique (comme le Réseau Téléphonique Commuté) où toutes les données (voix, images, données informatiques...) circulent en

numérique

DVD-ROM (Sony et Philips): Successeur

annoncé du CD-ROM dont il reprend

exactement le format physique. Sa capacité est par contre multipliée par 12 et passe à environ 8,5 Go.

Les Clés USB

Il s'agit simplement d'une puce mémoire avec un connecteur USB. L'ensemble à la taille d'une clé (et peut d'ailleurs se mettre en porte-clé) ce qui a donné son nom. Les capacités actuelles dépassent celles d'un CD-ROM avec l'avantage d'être

Quelques mots sur les systèmes

d’exploitation

Définition

Un système d'exploitation (SE; en anglais: OS = operating system) est un ensemble de

programmes de gestion du système qui permet de gérer les éléments fondamentaux de

l'ordinateur:

le matériel - les logiciels - la mémoire - les données – les réseaux.

Fonctions d’un système

d’exploitation

• Gestion de la mémoire

• Gestion des systèmes de fichiers • Gestion des processus

• Mécanismes de synchronisation • Gestion des périphériques

• Gestion du réseau

Un exemple

Soit la commande suivante: emacs monfichier.txt Juste après avoir tapé le <Return> fatidique, le

système d'exploitation est mis à contribution. A savoir qu'il doit ;

1) aller chercher sur le disque dur un fichier qui

s'appelle emacs et qui doit être impérativement un fichier d'instruction à exécuter (fichier exécutable ou "binaire").

2) aller chercher sur le disque dur un fichier qui

s'appelle monfichier.txt et rattacher ledit fichier à l'exécutable emacs en tant que fichier de données.

3) trouver une place en mémoire RAM pour y placer tout ou partie de emacs de telle

manière qu'il soit effectivement exécutable et une place en RAM pour y placer tout ou partie du fichier monfichier.txt. Trouver une place en RAM pour y mettre une zone de

communication avec emacs. Le SE et emacs doivent communiquer entre eux afin de

s'informer (entre autres choses) du bon déroulement des opérations.

4) Si les fichiers emacs et monfichier.txt sont trop gros pour la place disponible en RAM , le SE se charge de ne mettre en mémoire

vive que la partie des fichiers effectivement utile à l'instant t pour le processeur. Dès

qu'une autre partie du fichier devient utile la partie précédente est effacée de la RAM, et la zone "utile" est recopiée à sa place. Cette technique s'appelle le "swapping".

Il existe actuellement plus de 193 systèmes d’exploitation dans 27 langues

Quelques exemples • UNIX

• VMS

• MS-DOS

• Win 9X = désigne les Windows 95-98-Me,

héritiers de MS-DOS et Win 3.1. Il n'a aura plus de nouvelles versions. Cette gamme est remplacée par Win XP home.

• Windows NT est le système d’exploitation

Microsoft conçu pour se passer de MS-DOS, tout en gardant une grande compatibilité avec les

logiciels écrits pour MS-DOS, Win 3 et plus tard Win 9X (= Win 4.0).

• Windows 2000 est le nom commercial de Win NT 5.0, et Win XP celui de NT 5.1

• Pour ceux qui confondent : Win 2000, n'est pas le successeur technique de Win 98 :

• Win 98 a besoin de MS-DOS pour démarrer. • Win NT-2000-XP l'émule dans une machine

• les périphériques d'entrée-sortie (par

exemple les cartes d'extension) varient d'un modèle d'ordinateur à un autre. Il faut donc un système qui puisse unifier l'écriture des instructions gérant le matériel. Ainsi,

lorsqu'un programme désire afficher des informations à l'écran, il n'a pas besoin

d'envoyer des informations spécifiques à la carte graphique (il faudrait que chaque

programme prenne en compte la

programmation de chaque carte...), il envoie les informations au système d'exploitation,

• La communication avec le système

d'exploitation s'établit par

l'intermédiaire d'un langage de

commandes et un interpréteur de

commandes. Cela permet à l'utilisateur

de piloter les périphériques en ignorant

tout des caractéristiques du matériel

qu'il utilise, de la gestion des adresses

physiques...

• Le systèmes multi-tâches Les système d'exploitation multi-tâches permettent de partager le temps du processeur pour

plusieurs programmes, ainsi ceux-ci sembleront s'exécuter simultanément.

• Pour réaliser ce processus, les applications sont découpées en séquence d'instructions appelées tâches ou processus. Ces tâches seront tour à tour actives, en attente,

suspendues ou détruites, suivant la priorité qui leur est associée.

• Un système est dit préemptif lorsqu'il possède un Ordonnanceur (aussi appelé planificateur

ou scheduler), qui répartit, selon des critères

de priorité le temps machine entre les

différentes tâches qui en font la demande.

• Le système est dit à temps partagé lorsqu'un quota de temps est alloué à chaque processus par l'ordonnanceur. Cela est notamment le cas des systèmes multi-utilisateurs qui permettent à plusieurs utilisateurs d'utiliser

simultanément sur une même machine des applications similaires.

Le système est alors dit "système

transactionnel". Dans ce cas, le système

alloue à chaque utilisateur une tranche de temps (quantum de temps).

• Systèmes multi-processeurs Ces systèmes sont nécessairement multi-tâches puisqu'on leur demande d'une part de pouvoir exécuter simultanément plusieurs applications, mais surtout d'organiser leur exécution sur les différents processeurs (qui peuvent être

identiques ou non). Ces systèmes peuvent être soit architecturés autour d'un processeur

processeurs, soit avec des

processeurs indépendants qui

possèdent chacun leur

système d'exploitation, ce qui

leur vaut de communiquer

entre eux par l'intermédiaire

de protocoles.

• Les types de systèmes d'exploitation deux types de systèmes d'exploitation: les

systèmes 16 bits et les systèmes 32 bits.

- DOS codage sur 16 bits mono-utilisateur - Windows 3.1 codage sur 16/32 bits

multi-tâche préemptif

- Windows 95/98/Me 32 bits multi-tâches

préemptif

- Windows NT/2000 32 bits multi-tâches

préemptif

Pour en savoir plus

• Moreau, René (1982): ainsi naquit l’informatique, les hommes, les matériels à l’origine des concepts de l’informatique d’aujourd’hui, deuxième

édition, Dunod.

• Randell, Brian (1982): the origin of digital computers: selected papers; Springer Verlag • Les ordinateurs de cinquième génération;

MICRO-SYSTEMS, février 1983.

• Des photons dans l’ordinateurs, MICRO-SYSTEMS, décembre 1983

• Machines pensantes, DIMENSIONS SYSTEMS, 1984-1985.

• Les calculateurs analogiques, MICRO-SYSTEMS, juillet-août 1986.

• Pour la science: spécial informatique du futur. No. 122, décembre 1987.

• Pour la science: L’informatique des années 90, No. Spécial 72.

• Pour la science: communication,

ordinateurs et réseaux, numéro spécial, 1991.

• R. Keyes: L’avenir du transistor; pour la science, août 1993.

• Une adresse de site utile