Cours d’introduction à l’informatique et à la programmation

(1)

ÉC OLE PO L Y TEC H NIQ U E FÉ DÉR A LE D E LA USAN NE cEPFL 2002–2006 J-C. Chappelier

& J. Sam Haroud

Informatique I :

Cours d’introduction à l’informatique et à la programmation

INTRODUCTION (1)

Jamila Sam Haroud

Laboratoire d’Intelligence Artificielle Facult´e I&C

Informatique I – Introduction – 1

& J. Sam Haroud

Objectifs du cours d’aujourd’hui

I Présenter le cours I Objectifs («Quoi ?»)

I Administration («Comment ?») I Présenter la matière : l’informatique

I C’est quoi l’informatique ? I À quoi ça sert ?

I C’est quoi un ordinateur ?

ÉC OLE PO L Y TEC H NIQ U E FÉ DÉR A LE D E LA USAN NE

Objectifs du cours

1. Apprendre àprogrammer

savoir les bases et connaître correctement au moins un langage

☞ pratique sur le langage C++

2. Savoir comment fonctionne unordinateuret savoir l’utiliser (sous Linux)

3. Présenter l’Informatique

domaine de recherche : Technologies des traitements de l’information

Présentation générale du cours

Public : Cours obligatoire pour les étudiants de 1^eret 2^esemestre des sections de Génie Mécanique et d’Électricité.

Pas de connaissances préalables requises en informatique.

Langue : Français Moyens :

Concepts théoriques introduits lors decoursmagistraux

ex-cathedra (Jeudi 14¹⁵–16⁰⁰)

mis en pratique, de manière guidée, lors deséances d’exercices

sur machines (Jeudi 16¹⁵–18⁰⁰)

et de manière plus autonome par le biais d’unprojet (semestre d’été)

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& J. Sam Haroud

Présentation générale du cours

Horaires et Contenu : Un planning détaillant le contenu de chaque séance est disponible sur le site internet du cours.

http://cowww.epfl.ch/infgmel/

Encadrement : voir également le site internet du cours

& J. Sam Haroud

Interaction avec les enseignants

Plusieurs moyens pour contacter les enseignants, assistants et étudiants-assistants pour poser des questions sur le cours ou les exercices :

I Durant les séances d’exercices :

☞ c’est le moyen le plus direct, et généralement le plus efficace.

I Par l’intermédiaire du forum (newsgroup :

news://epflnews.epfl.ch/epfl.ic.cours.infogmel) + moyen idéal pour diffuser la connaissance

N’hésitez pas à en faire usage !

Interaction avec les enseignants

Plusieurs moyens pour contacter les enseignants, assistants et étudiants-assistants pour poser des questions sur le cours ou les exercices :

I par email aux responsables :

☞ en adressant un email aux assistants du cours, éventuellement à l’enseignant.

Les contacts par téléphone ou visites devront être strictement réservés aux cas urgents !

Support de cours

I Transparentsmis à disposition via lesite Web

parfois enrichis de notes techniques (mini-références) détaillant certains concepts évoqués pendant le cours, en particulier les éléments du langage C++

également parfois des références complémentaires (bibliographiques et/où hyperliens Internet)

I Énoncé des exercices

disponibles sur le site Web en début de semaine.

I Corrigé des exercices

disponibles sur le site Web en début de semaine suivante.

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& J. Sam Haroud

Support de cours

Ces éléments devraient constituer unedocumentation suffisante pour ce cours !

Pour la partie du cours relative à la programmation C++, les ouvrages suivant sont également recommandé

Marylène Micheloud & Medard Rieder

Programmation orientée objets en C++ – une ap- proche évolutive, PPUR, 1997.

Il est disponible pour un prix avoisinant les 43 CHF.

& J. Sam Haroud

Support de cours

Ces éléments devraient constituer unedocumentation suffisante pour ce cours !

Pour la partie du cours relative à la programmation C++, les ouvrages suivant sont également recommandé

J.-C. Chappelier & F. Seydoux

C++ par la pratique – recueil d’exercices corrigés et aide-mémoire, PPUR, nouvelle édition corrigée, 2005.

Il est disponible pour un prix avoisinant les 35 CHF.

Salles de travaux pratiques

Dans les salles CO20-23, vous disposez de :

I 110 postes fixes: vous pouvez y travailler à deux ou tout seul, selon le nombre de places disponibles

I 40 postes libres: vous pouvez y connecter vos propres portables (prises pour les chargeurs + câble ethernet sur le réseau local)

Notes et examens

+ Branche pratique coefficient 2 (GM) et 1 (EL)

La note finale pour l’année sera calculée de la façon suivante : ISérie notée I (1h45 heures ) ➯coef. 1 IExamen théorique I (2 heures ) ➯coef. 2 . . . . ISérie notée II (45 minutes ) ➯coef. 1 IExamen théorique II (2 heures ) ➯coef. 2 IProjet (en binôme, ˜ 8 semaines) ➯coef. 3^a

acertains éléments de la défense du projet seront individuels ; les membres d’un m ême binôme pourront donc avoir des notes différentes.

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& J. Sam Haroud

Notes et examens Série notée

Objectif : vérifier la maîtrise des concepts du langage C++ exposés en cours.

Séance d’exercices normale, à l’issue de laquelle le travail réalisé est envoyé pour évaluation (coef. 1).

Réalisée

I par binôme au semetre d’hiver ; I et individuellement au semestre d’été.

La série notée aura lieu dans le courant du second tiers du cours : jeudi 21 décembre

& J. Sam Haroud

Notes et examens Examens

Chaque semestre sera clôturé par un examen écrit,individuel, portant sur le contenu du cours et les séances d’exercices.

Date :

jeudi 8 février

Une partie de la séance de TP précédant l’examen sera consacrée aux questions des étudiants sur le cours et les exercices

Génie Mécanique et Électricité

Vos deux sections n’ont pas le même cursus :

I Génie Mécanique :56 heures= 2h Cours + 2h TP I Électricité :42 heures= 2h + 1h ou 1h + 2h ? ?

☞ difficile à mettre en œuvre en informatique Solution pour les Électriciens :

I Obligatoires : tous les cours C++ de base + introduction I Dispense pour : les cours C++ avancés et les cours

d’informatique non-C++

☞ Voir la page web du cours pour le cursus détaillé

Attention !donc pour les électriciens, les TPs ne se déroulent pas à raison d’une séance tous les 15 jours !

C’est quoi l’informatique ?

INFORMATIQUE

6 =

PROGRAMMATION

«Science dutraitement automatique de l’information,(tri, transmission, utilisation), mis en œuvre sur desordinateurs. »

('Petit Robert)

« ordinateurs » ? ☞ automate programmable

➯Formalisation : machine de Turing (cf fin du semestre)

(5)

& J. Sam Haroud

C’est quoi l’informatique ?

INFORMATIQUE

⊃

PROGRAMMATION

('Petit Robert)

& J. Sam Haroud

C’est quoi l’informatique ?

INFORMATIQUE

=

PROGRAMMATION

('Petit Robert)

À quoi sert l’informatique ?

☞nombreux domaines d’application

En fait les ordinateurs sont présents en de très nombreux endroits (pas forcément toujours de façon explicite)

Trois classes d’applications : I Calcul scientifique

I Gestion d’informations / de données I Conduite de processus

Calcul scientifique

C’est l’application historique, héritée de la génération des calculateurs (cf « computer »)

Utilisation : simulation de systèmes complexes (compréhension de fonctionnement, test d’hypothèses, prédiction) :climatologie, météorologie, géologie, physique des particules, physique des plasmas, astro-physique, biologie moléculaire, ...

Exigences : Grande puissance de calcul

Exemples : super calculateurs, ordinateurs massivement parallèles et ordinateurs vectoriels (Cray-1, Cray T3D, SV1, ...)

Bibliothèques de programmes réalisant les calculs mathématiques usuels : statistiques, calculs matriciels, transformée de Fourier, calcul intégral et différentiel, ...

Nouvelles tendances : « grappes » d’ordinateurs, network computing

cf article du Flash Informatique 2002 no 6

(6)

& J. Sam Haroud

La gestion d’information

Gestion et traitement des données.

Utilisation : gestion de systèmes bancairesou boursiers,

comptabilité d’entreprise,fichiers de police, gestions des données utilisées ou produites par les simulations de modèles complexes, mais également agendas électroniques de poche (PDA).

Exigences : importantes capacités de stockage, traitement efficace (rapide et fiable) de gros flux d’information

Exemples : Ordinateurs avec mémoire de masse importante, et fortes capacités en matière de communications (entrées/sorties) : ordinateur et mini-ordinateur, serveurs de fichiers, serveurs de données, ... et plus récemment, agendas multifonctions de poche (IBM 3090/300, Sun-4, ..., Palm, Psion)

& J. Sam Haroud

La conduite de processus

Ordinateur = automate de commande

Utilisation : très nombreuses applications : pilotage/surveillance de processus industriels (chaînes de fabrication, de montage, mais aussi réseaux de distribution d’énergie, centrale atomique), fonctionnalités de domotique très courante (four micro-ondes, téléphones cellulaires, machines à laver, chronométrage, carburateur de voiture, système de freinage ABS), avionique, robotique, ...

Exigences : nécessité d’un faible encombrement, d’une consommation réduite, et souvent d’un coût minimum (☞grand public).

Par ailleurs, on exige généralement une grande fiabilité (même dans des environnement hostiles)☞tolérances aux pannes, acquisition et traitement des données temp réel, ...

Exemples : Initialement l’ensemble desmicro-contrôleurs, mais on utilise de plus en plus souvent des processeurs, voire des ordinateurs complets

Et mon PC là dedans ?

L’ordinateur personnel se veut «universel», c’est-à-dire non dédié à un type particulier d’application.

Il se situe à l’intersection de ces familles, avec toutefois une prédilection pour le domaine de lagestion des informations

(application bureautique :traitement de textes, tableur, petite base de données), et aussi un peu lecalcul(imagerieet surtout lesjeux!).

C’est quoi un ordinateur ?

=« automate programmable »

«Computer»

Historiquement : «Calculateur numérique électronique»

➯effectuer des opérations arithmétiques

puis : manipulations de symboles (calcul symbolique) et « traitement de l’information »

«Ordinateur»

«Machine électronique de traitement de l’information» (1951)

☞ s’éloigne de la connotation exclusivement numérique.

(7)

& J. Sam Haroud

C’est quoi un ordinateur ? (2)

Exemples de « PC » :

Miditower MD-371 /w Fan Duct / 350W

300 Watt ATX, Avance 300W-X V2.03, 12 cm fan ASRock ALiveNF4G-DVI, MicroATX

Sempron 64 3000+

RAM DDR2 512 MB DIMM OEM

Asus Extreme N7300GS/HTD - 256 MB DDR

HDD 160 GB SpinPoint P80S 7200 rpm 8.9 ms 8 MB cache Floppy HD+Card Reader

Avance SlimKeyboard & Optical mouse, ivory Samsung WriteMaster, 18x DVD+-, black SoundBlaster Audigy SE 7.1

TrendNet TE100-PCIWA, 10/100 Ethernet

15" TFT Acer AL1511s 1024x768 0.297 mm 250 cd/m2 350 :1 25ms sanssystème d’exploitation

1128.- (offre au 3 octobre 2006)

Attention ! une telle offre n’est pas assez précise pour permettre une bonne comparaison (manque de précisons techniques ou commerciales)

& J. Sam Haroud

C’est quoi un ordinateur ? (2)

Miditower full alu CY4-4AK-050 / 400W low noise Asus P5B Motherboard

Core 2 Duo E6600 - 2.40

2x DDR2 1 GB DIMM Kingston ValueRAM

Asus Extreme N7600GS/Silencer/HTD - 512 MB DDR FireWire 3 port card, internal PCI

HDD RAID : 2x 320 GB WD3200KS Caviar SE16 Lecteur 3₂¹" / cartes Internal 11-in-1 Card reader Samsung 16x DVD/48x CD

Samsung WriteMaster, 18x DVD+-, LightScribe Logitech Cordless Desktop 2.4 GHz

19" Philips 190B7CS, PerfectPanel 1280x1024 700 :1 300 cd/m2 8 ms Windows XP Home Edition, OEM, FR

2397.-(offre au 3 octobre 2006)

C’est quoi un ordinateur ? (2)

Miditower full alu CY4-4AK-050 / 400W low noise Asus P5B Motherboard

Core 2 Duo E6600 - 2.40

2x DDR2 1 GB DIMM Kingston ValueRAM

Asus Extreme N7600GS/Silencer/HTD - 512 MB DDR FireWire 3 port card, internal PCI

HDD RAID : 2x 320 GB WD3200KS Caviar SE16 Lecteur 3¹₂" / cartes Internal 11-in-1 Card reader Samsung 16x DVD/48x CD

Samsung WriteMaster, 18x DVD+-, LightScribe Logitech Cordless Desktop 2.4 GHz

19" Philips 190B7CS, PerfectPanel 1280x1024 700 :1 300 cd/m2 8 ms Windows XP Home Edition, OEM, FR

2397.-(offre au 3 octobre 2006)

CA VEUT

DIRE

QUOI

?

C’est quoi un PC ?

processeur mémoire bus Carte mère

écran écran

clavier souris joystick

trackball

imprimante scanner web-cam

haut-parleurs microphone CD / CDR / CDRW / DVD

zip jazz

tactile

clip

bandes

disquettes disques durs

fax modem

réseau

série parallèle

EPP/ECP USB SCSI

infra-rouge

carte audio carte

vidéo

carte réseau

PCMCIA

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& J. Sam Haroud

Architecture de Von Neumann (1955)

Mémoire centrale (RAM/ROM) unité de contrôle

unité arithmétique et logique

(ALU) Unité centrale

(CPU)

Unités d’E/S Contrôleur de périphériques Unités périphériques

de traitement

données instructions

& J. Sam Haroud

L’ordinateur personnel

Un PC (Personnal Computer) c’est :

I Une unité centrale :processeur(CPU),mémoire, carte mère...

...et tout le matériel bas niveau pour que cela tourne (alimentation électrique, ventilateur(s), boîtier, ...)

I desmoyens de sauvegarde(ou « mémoire de masse ») : disquette, disque dur, CD-ROM, clé USB, ...

I despériphériquesd’interaction « de base » : clavier, écran, souris, carte vidéo, ...

I et plein d’autrespériphériques: carte son, imprimante, modem, scanner, ...

Unité centrale (1) Processeur

Souvent défini comme étant le « coeur » de l’ordinateur...

...mais ce serait plutôt le «cerveau» !

Fait tous les calculs et le contrôle principal de la machine. C’est le CPU de l’architecture Von Neumann

Est caractérisée par :

I lemodèle(fabriquant, famille, modèle, packaging) : Intel Pentium IV, AMD Athlon, ...

mais aussi : single core, dual core(2 ALU dans le même processeur)

I lafréquence d’horlogeinterne, c’est-à-dire la vitesse à laquelle sont exécuté les instructions élémentaires

typiquement de quelques MHz (vieux « 486 ») à 4 GHz I taille de lamémoire cache, c’est-à-dire la mémoireinterne au

processeur

Unité centrale (2) Mémoire

Assure le stockage à court terme des instructions à exécuter, ainsi que des données.

Est caractérisé par :

I capacité: une (ou plusieurs) barrettes de 8 à 1 Go

I type, packaging : SIMM : EDO/FPM, 30 à 72 pins, DIMM : SDRAM/RDRAM, 168 ou 184 pins, RIMM, DDR, ...

I cadence du busassocié (33, ..., 100, 133, 266 MHz, ...)

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& J. Sam Haroud

Unité centrale (3) Carte mère

(en anglais « mainboard »)

Support physique pour le(s) processeur(s), la mémoire et les diverses connexions (« bus ») vers les périphériques.

Caractérisée par :

I quel(s) type(s) de processeur (nombre, famille, slot, fréquence, voltage) et de mémoire

I nature des bus et nombre de connecteurs (AGP, (E)IDE, PCI, USB1, USB2, ...)

& J. Sam Haroud

Mémoire de masse

disque dur (« hdd »), disquette (« fdd »), cdrom, clé USB, ...

utile pour garder de l’information à long terme (vos fichiers, mais aussi le système d’exploitation !)

Ce qu’il faut regarder :

I capacité: 1.44 Mo, 40 Go, ...

I mais aussi letaux de transfert(débit) et le temps d’accès (e.g.

8.5 ms)

I la «mémoire cache» (lorsqu’il y en a)

Périphériques (quelques uns)

Écran:

I numérique (écran plat) ou analogique (cathodique) ?

Les tubes cathodiques donnent une bonne qualité pour un prix moindre. Leur seul vrai incovénient est la place qu’ils prennent...

I la taille (mesurée en pouces) : 15”, 17”, ...

I la résolution maximale (en pixels) : 640x480, ..., 2400x1600 I le « grain » («pas de masque» en termes techniques, « pitch »

en anglais)

Un pas de masque de 0.25 mm donne un confort visuel satisfaisant. Il faut éviter les pas de masques supérieurs à 0.27 mm

Périphériques (quelques uns)

Écran:

I pour les écrans cathodiques :

I lafréquence de rafraîchissement(verticale) : 60–160 Hz

Évitez d’utiliser une fréquence en dessous de 75 Hz ; 85 Hz est correct.

I pour les écrans plats :

I letemps de réponse(en ms,au moins 15 ms, 8 c’est mieux, surtout pour les jeux ou la vidéo. Pour la bureautique, 20 ms suffisent)

I laluminositéimportant pour la visibilité dans un environnement éclairé(en cd/m², au moins 350 cm/m²)

I lecontrastepour le rendu des couleurs(en « :1 », au moins 500 :1) I l’angle de vision (en degrés,90^oveut dire « de face »)

I la classe(nombre de pixels hors-service tolérés ; classe 2 : jusqu’à 7 pixels de couleur ou 3 pixel NB, classe 1 : aucun)

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& J. Sam Haroud

Périphériques (quelques uns)

Carte Vidéo:

interface entre le processeur et l’écran, offre une zone mémoire dédiée et effectuant des calculs (e.g. rendus 3D) à la place du processeur : c’est un vrai ordinateur dans l’ordinateur.

I taille mémoire (2Mo–512Mo) => résolution x couleurs c’est elle qui va vous définir la résolution maximale utilisable possible (qui devra bien sur être compatible avec celle de votre écran !) et le nombre de couleurs maximal pour une résolution donnée

I type de bus : PCI ou AGP (combien de fois : e.g. AGP 2x) I jeux d’instructions spécialisées 2D, 3D

& J. Sam Haroud

Ports d’entrées/sorties

Cetteicôneserautiliséepourindiquerles transparents

au conten

u plus«avancé»,

c’est-à-dire

s’adressant

aux élèves les

plusà l’aiseavecla matière .

Ports d’entrées/sorties

« Port » (ou « bus ») d’entrée/sortie : moyen de communication entre le « cœur » de l’ordinateur et ses périphériques

Plusieurs types de ports :

Port série : Très longtemps utilisé, car simple à mettre en œuvre, et possibilité d’utiliser des câbles longs sans que ça ne perturbe la transmission.

Ordre de grandeur du débit :9’600 à 115’200 bits/s

Ports d’entrées/sorties

Port parallèle : Utilisé pour transmettre les données plus rapidement que via une ligne série mais à plus courte distance (e.g.

l’imprimante juste à coté du PC)

Unidirectionnel dans sa version originelle

Port SCSI (Small Computer System Interface) : bus utilisé comme interface standard entre ordinateur et périphériques (max 8) Débit :SCSI-1 : débit de 4 Mo/s, SCSI-2 : débit de 10 à 40 Mo/s

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& J. Sam Haroud

Ports d’entrées/sorties

Port PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) : principalement sur les portables pour périphérique au format « carte de crédit » (68 broches)

& J. Sam Haroud

Ports d’entrées/sorties

Port USB (Universal Serial Bus) :

C’est un nouveau port série universel chargé de reconnaître automatiquement (et de gérer) des périphériques externes qui n’ont pas besoin d’un débit élevé (e.g. claviers, souris, joysticks, scanners, imprimantes, téléphone numérique, haut-parleurs, ...).

Débit :version 1.1 : 12 Mb/s (i.e. 1.5 Mo/s) version 2.0 : 480 Mb/s (i.e. 60 Mo/s)

Ports d’entrées/sorties

Plusieurs types de ports : Port Firewire :

Pour caméras numériques et périphériques externes nécessitant une large bande passante (disques durs, graveurs de CDs) Débit :400 Mb/s ou 800 Mb/s

Un PC c’est donc...

processeur mémoire bus

Carte mère écran

écran

clavier souris joystick

trackball

imprimante scanner web-cam

haut-parleurs microphone CD / CDR / CDRW / DVD

zip jazz tactile

clip

bandes

disquettes disques durs

fax modem

réseau

série

parallèle EPP/ECP

USB SCSI

infra-rouge

carte audio carte

vidéo

carte réseau

PCMCIA

(12)

& J. Sam Haroud

...mais c’est aussi :

Mais pour fonctionner un ordinateur doit pouvoir interagir avec l’environnement :

I « comprendre », c’est-à-dire ici « traiter », les informations lui provenant (clic de souris, touche clavier, ...

I produire des sorties (sons, image écran, ...)

Cela se fait grâce à desprogrammes(ou «logiciels») dont le plus fondamental, précisément responsable de la gestion des interactions entre l’unité centrale et ses périphériques, s’appelle «système d’exploitation»

Exemples :MacOS X,Linux,Solaris,Windows...

& J. Sam Haroud

Conclusion

Bien qu’elle n’existe que depuis un peu plus d’un demi-siècle, l’informatique est undomaine de rechercheà part entière (et en pleine expansion), comportant des aspectsthéoriquesetpratiques: Théoriques : logique, calculabilité, algorithmique, modélisation,

intelligence artificielle, théorie de l’information, théorie des automates, ...

Pratiques :

I technologie des composants (électronique, microtechnique, chimie, physique, ...)

I développement de programmes (algorithmique, génie logiciel, ...)

I gestion de systèmes informatiques (systèmes d’exploitations, réseaux, ...)

Ce que j’ai appris aujourd’hui

I Ça va être un super cours© I Il y a plein d’infos sur le Web

http://cowww.epfl.ch/infgmel/

I L’informatique c’est pas (juste) savoir bien utiliser son traitement de texte préféré, ni même savoir programmer

☞ une discipline à part entière englobant les aspects algorithmiques, logiciels et matériels.

I Quels sont les principaux composants d’un ordinateur I au niveau matériel (processeur, mémoire, périphériques) I au niveau logiciel (à suivre...)

☞ je comprends mieux la description pour acheter un PC

La suite

I Exercices (tout de suite) :

I Mise en place de votre compte informatique

I Première prise de contact avec l’environnement informatique de l’EPFL

I Le prochain cours : I Aspects logiciels

I Bref historique de l’informatique I Les cours suivants :

I Introduction à la programmation en C++

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& J. Sam Haroud

Informatique I :

Cours d’introduction à l’informatique et à la programmation

INTRODUCTION (2)

Jamila Sam Haroud

Laboratoire d’Intelligence Artificielle Facult´e I&C

Informatique I – Introduction (2)– 1

& J. Sam Haroud

Objectifs du cours d’aujourd’hui

I Terminer la présentation générale d’un ordinateur : les aspectslogiciels

I Étudier plus particulièrement la gestion des fichiers I Présenter un (court) historique des ordinateurs

Aspects logiciels d’un ordinateur

matériel applications / services

traitement de texte jeux

tableur

logiciel de dessin compilateur

gestionnaire d’imprimante ...

Aspects logiciels d’un ordinateur

applications / services

matériel

gestionnaire de fenêtres

interpréteur de commandes sh

bashX11 fvwm ...

(DOS)

(Windows) (MacOS)

(14)

& J. Sam Haroud

Aspects logiciels d’un ordinateur

gestionnaire de fenêtres système d’exploitation

interpréteur de commandes

...

(Windows) (MacOS) (DOS) Linux OpenBSD FreeBSD Solaris

& J. Sam Haroud

Classes de Logiciels

Au fil des années, une spécialisation progressive des logiciels s’est réalisée :

logiciels d’application traitement de tâches spécifiques aux utilisateurs

traitements de textes, tableurs, logiciels de comptabilité, CAO, ....

logiciels utilitaires servant au développement des applications assembleurs, compilateurs, dévermineurs, gestionnaires de versions, gestionnaires de fenêtres, librairies d’outils, ...

logiciels systèmes regroupés dans lesystème d’exploitation

☞ présents au cœur de l’ordinateur, ces logiciels sont à la base de toute exploitation, coordonnant les tâches essentielles à la bonne marche du matériel.

C’est du système d’exploitation que dépend la qualité de la gestion des ressources (processeur, mémoire, périphériques) et la convivialité de l’utilisation d’un ordinateur.

Plan

gestionnaire de fenêtres interpréteur de commandessystème d’exploitation

Système d’Exploitation

Système d’Exploitation (« SE », « OS » en anglais) : ensemble des programmes relatifs à l’exploitation de l’ordinateur

Concrètement, deux tâches distinctes :

I Gérer les ressources physiquesde l’ordinateur

+ assurer l’exploitation efficace, fiable et économique des ressources critiques (processeur, mémoire)

Exemple :interaction avec le disque dur I Gérer les interactionsavec les utilisateurs

+ faciliter le travail des utilisateurs en leur présentant une machine plus simple à exploiter que la machine réelle (concept de «machine virtuelle»)

Exemple :gestion d’un clic de souris

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& J. Sam Haroud

Caractéristiques des systèmes d’exploitation

Mono-tâche Multi-tâches

À tout instant, un seul programme est exécuté; un autre programme ne démarre que lorsque le premier est terminé.

Plusieurs programmes (ou « processus ») peuvent s’exécuter simultanément (systèmes multi-processeurs) ou en quasi-parallélisme (systèmes à temps partagé)

Mono-utilisateur Multi-utilisateurs

Au maximum un utilisateur à la fois sur la machine. Parfois, les systèmes réseaux permettent de différencier plusieurs utilisateurs possibles, mais chacun d’eux n’utilise la machine que de manière exclusive.

Plusieurs utilisateurs peuvent travailler simul- tanément sur la même machine.

DOS Windows 95/98 VMS, UNIX/Linux

Le système d’exploitation utilisé en salle de TP est un système de type Unix: «linux 2.4»

& J. Sam Haroud

Utilisateurs et groupes

Architectures multi-utilisateurs

+ identifier les personnes pouvant travailler avec le système, pour assurer la confidentialité de leur données (et parfois de leur facturer les ressources utilisées)

I 2 « entités » : lesutilisateurs, et lesgroupesd’utilisateurs

user1 user2

group1

group2 Administrateur(s)

Les groupes permettent de définir des droits communs à un ensemble d’utilisateurs (quelles ressources utilisables, dans quelles limites, quels droits d’accès, ...)

I Chaque utilisateur appartient à au moins 1 groupe

(Essayez la commandegroups)

Quotas

Plusieurs personnes utilisent les mêmes ressources

+ s’assurer qu’aucun utilisateur ne les monopolise (au détriment des autres)

Par exemple avec les disques durs :

+ Le «quota disque» représente l’espace maximal qu’un utilisateur peut occuper sur le disque

Lorsqu’un utilisateur a « atteint son quota », le système refusera toute tentative conduisant à une augmentation de l’espace utilisé.

+Pour vérifier votre utilisation d’espace disque, utilisez la commande : quota -v

Structure en couches d’un SE moderne

(« drivers ») périphériques gestionnaires de

matériel gestion mémoire

gestion entrées/sorties gestion fichiers

noyau

(16)

& J. Sam Haroud

Structure en couches d’un SE moderne

(« drivers ») périphériques gestionnaires de

matériel noyau gestion mémoire

gestion entrées/sorties gestion fichiers

& J. Sam Haroud

Le noyau

(« kernel » en anglais)

Les fonctions principales du noyau (d’un SE multi-tâches) sont : I Gestion du processeur:

+ reposant sur un alloueur/répartiteur (dispatcher) responsable de la répartition du temps processeur entre les différents processus,

+ et un planificateur (scheduler) déterminant les processus à activer, en fonction du contexte.

I Gestion des interruptions I Gestion du multi-tâches

Le noyau

Les fonctions principales du noyau (d’un SE multi-tâches) sont : I Gestion du processeur

I Gestion des interruptions:

+ les interruptions sont des signaux envoyés par le matériel, à destination du logiciel, pour signaler un évènement.

I Gestion du multi-tâches

Le noyau

I Gestion des interruptions I Gestion du multi-tâches:

+ simuler la simultanéité des processus coopératifs (i.e. les processus devant se synchroniser pour échanger des données)

+ gérer les accès concurrents aux ressources (fichiers, imprimantes, ...)

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& J. Sam Haroud

Le noyau

I Gestion des interruptions I Gestion du multi-tâches

Du fait de la fréquence élevée des interventions du noyau, il est nécessaire qu’ilréside en permanence et en totalité dans la

mémoirecentrale. Son codage doit donc être particulièrement soigné, pour être à la fois performant et de petite taille.

& J. Sam Haroud

Plan

I Terminer la présentation générale d’un ordinateur I Étudier plus particulièrement la gestion des fichiers I Présenter un historique des ordinateurs

Système de fichiers

Le concept defichiersest unestructure adaptéeaux mémoires de masse permettant de regrouper des données.

Un fichier c’est unecollection ordonnée de données, représentant une entité pour l’utilisateur.

Lesystème d’exploitationva donner corps au concept de fichiers, c’est-à-dire les gérer : les créer, détruire, modifier, lire, et offrir la possibilité de les désigner par des noms.

Dans le cas de systèmes multi-utilisateurs, il faut de plusassurer la confidentialitéde ces fichiers, en protégeant leur contenu du regard des autres utilisateurs.

Système de fichiers (2)

Pour assurer la gestion des fichiers, un système d’exploitation utilise un (voire plusieurs) système(s) de fichiers (« file system »).

C’est le système de fichiers qui détermine les structures internes utilisées pour organiser les fichiers.

Parmi les nombreux systèmes de fichiers, citons : I FAT, VFat, HPFS, NTFS (Dos & Windows), I Ext, Ext2, Ext3, (Linux)

I ISO9600, UDF, UFS, Joliet, RockRidge (pour les CD), I SystemV, VxFS, Spiralog (Solaris, VMS)

I NFS (Network File System : pour les réseaux)

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& J. Sam Haroud

Structuration d’un système de fichiers

Grand nombre de fichiers+fournir un moyen pour organiser ces fichiers.

+ concept derépertoire(ou « directory »)

Un répertoire est une collection (généralement non ordonnée) de fichiers ou de répertoires (alors appelés sous-répertoires).

Ils permettent d’organiser l’ensemble des fichiers dans unestructure arborescente

= unrépertoire

= unfichier

& J. Sam Haroud

Structuration d’un système de fichiers

En plus de la notion de répertoire, la plupart des systèmes permettent également de définir desliens symboliquesvers des fichiers ou des répertoires («soft links» avec UNIX/Linux, ou «raccourcis» dans d’autres systèmes), qui permettent de définir des « alias » (i.e. autres noms)

+permet d’assouplir la structure d’arbre

Nommage des fichiers : absolu et relatif

On appelle «chemin» la succession des répertoires conduisant à un fichier, à partir d’un endroit donné dans l’arborescence.

Pour désigner un fichier, il est possible de procéder de deux manières : I à l’aide d’unchemin absolu: on prend comme convention un

parcours de l’arbre partant de la racine

Dans le cas de plusieurs arbres (« forêt »), le nom du lecteur est tout d’abord spécifié (i.e. on désigne la racine de l’arbre).

home

tmp julie marc

cours a

/

/home/julie/cours/a

(19)

& J. Sam Haroud

Nommage des fichiers : absolu et relatif

On appelle «chemin» la succession des répertoires conduisant à un fichier, à partir d’un endroit donné dans l’arborescence.

Pour désigner un fichier, il est possible de procéder de deux manières : I à l’aide d’unchemin relatif: c’est la succession des répertoires à

traverser, à partir d’un autre répertoire de l’arborescence

../julie/cours/a cours/a

home

tmp julie marc

cours a

/

& J. Sam Haroud

Nommage des fichiers (2)

Le répertoire parent d’un sous-répertoire est désigné par.., tandis que le répertoire lui-même est désigné par. Là y’a un point et là deux

Exemples de noms de fichiers (« chemins ») :

/home/sam/Work/cours/Informatique/Info1/introduction2.tex ../images/paysages.gif

../../../toutlahaut.ps.gz Sous UNIX/Linux, le délimiteur entre nom de répertoire et nom de fichier dans les chemins est la barre oblique « slash » :/

D’autres systèmes utilisent l’« antislash » ou « backslash » :\ D:\Users\Chaps\Personnal Documents\introduction2.pdf

Système de fichiers UNIX/Linux

Chaque utilisateur possède unrépertoire personnel(« home directory ») dans lequel il peut placer ses fichiers personnels.

C’est la racine du sous-arbre réservé spécifiquement à un utilisateur Les noms de fichiers possèdent généralement une extension, délimitée par un. Là aussi y’a un point

Cette extension peut être utilisée pour indiquer la nature du fichier, c’est-à-dire l’application à laquelle il est associé.

Contrairement à d’autres systèmes d’exploitation, sous UNIX/Linux les fichiers peuvent avoir 0, 1 ou plusieurs extension(s).

Exemples :

series.cc: fichier de code source C++

Système de fichiers UNIX/Linux

Chaque utilisateur possède unrépertoire personnel(« home directory ») dans lequel il peut placer ses fichiers personnels.

C’est la racine du sous-arbre réservé spécifiquement à un utilisateur Les noms de fichiers possèdent généralement une extension, délimitée par un. Là aussi y’a un point

Cette extension peut être utilisée pour indiquer la nature du fichier, c’est-à-dire l’application à laquelle il est associé.

Contrairement à d’autres systèmes d’exploitation, sous UNIX/Linux les fichiers peuvent avoir 0, 1 ou plusieurs extension(s).

Exemples :

cours-1.ps.gz 1^reextension indiquant un fichier Postscript

2^eextension indiquant un fichier compressé avecgzip

(20)

& J. Sam Haroud

Plan

gestionnaire de fenêtres interpréteur de commandessystème d’exploitation

& J. Sam Haroud

Interpréteur de commandes (1)

Pour interagir avec l’utilisateur, un système informatique doit disposer au minimum d’uninterpréteur de commandes(«shell»)

Contrairement à d’autres architectures moins modulaires, l’interpréteur de commandes (ainsi que le gestionnaire de fenêtres) des systèmes de type UNIX est un composant externe au SE.

Ne faisant pas directement partie du système, ils peuvent être changés à souhait.

Le shell attend les ordres que l’utilisateur transmet par le biais de l’interface, décode et décompose ces ordres en actions élémentaires, et finalement réalise ces actions en interagissant avec le système d’exploitation.

Parmi les shells Unix les plus utilisés, citons : Bourne [Again] shell (shet bash), C shell (csh), Z shell (zsh), et celui présent par défaut sur les comptes du cours, l’Enhanced C shell (tcsh).

Interpréteur de commandes (2)

Pour faciliter le travail de l’utilisateur, les interpréteurs de commandes offrent (entre autres) la possibilité de définir desvariables

d’environnement, de renommer ou définir de nouvelles commandes («alias»), etc...

La plupart offrent également des facilités d’édition comme le rappel des commandes précédentes (historique des commandes), la complétion(complète le nom du fichier lorsqu’il n’y a plus d’ambiguïté), la correction en cas de commande invalides, ...

Tous les systèmes d’exploitation permettent par ailleurs, en plus de l’interaction « directe » (au moyens de terminaux ou de consoles dans le cas d’Unix), letraitement différé(«en batch») des commandes.

On peut également regrouper plusieurs commandes dans un fichier alors appelé «script».

Fichiers et shell (1)

Un certain nombre des fonctions du shell sont relatives au système de fichiers :

I Navigation dans la structure des fichiers : notion derépertoire courant, modification de ce répertoire (cd= change directory), lister le contenu d’un répertoire (ls), de copier des fichiers (cp), de les déplacer (mv), les effacer (rm), faire des liens (ln), etc...

Toutes les commandes soumises au shell sont interprétées relativement au répertoire courant.

I Utiliser des raccourcis lors du nommage des fichiers et répertoires,

?peut être utilisé comme substitut de 1 caractère

*sert à substituer une chaîne de caractères quelconque cours- ?.ps.gz cours-*

cours-1.ps.gz cours-2.ps.gz ...cours-A.ps.gz

cours-1.pdf cours-1.ps.gz cours-10.ps.gz cours-2.ps.gz ...cours-A.tex cours-A.ps.gz

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& J. Sam Haroud

Fichiers et shell (1)

Un certain nombre des fonctions du shell sont relatives au système de fichiers :

I Utiliser des raccourcis lors du nommage des fichiers et répertoires,

?peut être utilisé comme substitut de 1 caractère

*sert à substituer une chaîne de caractères quelconque cours- ?.ps.gz cours-*

cours-1.ps.gz cours-2.ps.gz ...cours-A.ps.gz

cours-1.pdf cours-1.ps.gz cours-10.ps.gz cours-2.ps.gz ...cours-A.tex cours-A.ps.gz

& J. Sam Haroud

Attributs de fichiers (1)

Les attributs typiques d’un fichier sont : I son nom

I sa taille

I la date et heure de création I le propriétaire (créateur)

I les droits d’accès des autres utilisateurs I modifiable, exécutable, caché,...

I système, possédant des alias,...

I la date et l’auteur de la dernière révision, I no de version (système VMS),...

I ...

Attributs de fichiers (2)

Dans le cas des systèmes de type Unix :

I On distingue les fichiers cachés au moyen d’une convention de nommage : ils sont préfixés par un. Encore un point !

Exemple :.cshrc

(utilisez la commandels -apour voir les fichiers cachés) I A chaque fichier est associé un utilisateur propriétaire (le créateur

du fichier) et un groupe propriétaire (l’un des groupes auxquels appartient l’utilisateur)

Syntaxe : chmod (u|g|o|a)+ +|- (r|w|x)+

User +: ajouter Read

Group -: supprimer Write

Other eXecute

All (a=ugo)

chmod o-r chmod go+rx

chmod a+w

Exemples :

chmod a+x monscript.sh +tout le monde peut exécuter ce fichier chmod go-r perso +les autres que moi n’ont pas le droit

de lire ce fichier/répertoire

Attributs de fichiers (2)

Dans le cas des systèmes de type Unix :

I Les droits d’accès définissent 3 attributs, et sont paramétrables pour 3 classes d’utilisateurs :

Attributs : Classes d’utilisateurs :

Visibilité (lecture) Propriétaire (owner ou user) Modification (écriture, effacement) Groupe (group)

Exécution Autres (others)

Syntaxe : chmod (u|g|o|a)+ +|- (r|w|x)+

User +: ajouter Read

Group -: supprimer Write

Other eXecute

All (a=ugo)

chmod o-r chmod go+rx

chmod a+w

c’est-à-dire au moins une fois

Exemples :

chmod a+x monscript.sh +tout le monde peut exécuter ce fichier chmod go-r perso +les autres que moi n’ont pas le droit

de lire ce fichier/répertoire

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& J. Sam Haroud

Plan

I Terminer la présentation générale d’un ordinateur I Étudier plus particulièrement la gestion des fichiers I Présenter un historique des ordinateurs

& J. Sam Haroud

La préhistoire (1)

-500 Les premiers outils de calculs datent de plusieurs milliers d’années : bien avant l’ère Chrétienne, les civilisations méditerranéennes utilisent l’abaque, tandis que leboulier est d’usage en Chine et au Japon.

1614 Neper présente sa théorie deslogarithmes; les tables de Neper permettent de transformer des multiplications compliquées en simple additions.

1620 Invention de larègle à calcul, utilisant les tables de Neper. Ce dernier met également au point un système non logarithmique basé sur le déplacement de tiges (connues sous le nom de Bâtons ou Os de Neper).

1623 Schickard utilise le principe de déplacement des tiges pour construire une machine à calculer. La machine sera malheureusement perdue au cours de la guerre de Trente Ans.

La préhistoire (2)

1642 Pascal(agé alors de 19 ans) présente la première version de la Pascaline, machine permettant d’effectuer des additions et soustractions avec des nombres de 6 chiffres (par la suite, ajout de 2 chiffres fractionnaires).

1673 Leibniz modifie la Pascaline en lui ajoutant les multiplications.

1728 Falconconstruit une commande demétier à tisserà l’aide d’une planchette de bois munies de trous.

+ Il s’agit de la première machine capable d’exécuter un programme externe.

1805 Jacquardperfectionne le système de Falcon, en remplaçant les planches par des cartes

Les précurseurs (1)

1822 Charles Babbageconstruit un prototype de machine pour le calcul et l’impression de tables numériques nécessaire à la navigation et à la balistique. Sa machine à différences n’utilise qu’un seul algorithmeprédéterminé (différences finies de

polynômes) , mais c’est la restitution des résultats – gravage d’un plateau de cuivre par un timbre en acier – qui est intéressante.

Pendant 10 ans, il tentera de construire un modèle utilisable, sans toutefois y parvenir.

1833 Babbage entame une réalisation plus ambitieuse encore, la Machine Analytique, conçue pour effectuer des séquences d’opérations arithmétiques, en fonctions d’instructions données par l’utilisateur. M^elleAda Augustas’évertue à écrire les programmes nécessaires au fonctionnement de la machine.

Malheureusement, la machine est trop complexe et ambitieuse

(23)

& J. Sam Haroud

Les précurseurs (2)

1854 Reprenant les spéculations de Leibniz,George Boolepublie un essai intitulé «Une étude des lois de la pensée», dans lequel il expose ses idées sur laformulation mathématique des

propositions logiques.

1936 Publication parAlan Turingde l’essai «A propos des nombres calculables», traitant des problèmes théoriquement non solubles (indécidabilité). Préfigurant les caractéristiques de l’ordinateur moderne, il énonce le principe d’une machine universelle, purement imaginaire, appelée depuisMachine de Turing.

1938 Claude Shannon(dans son travail de diplôme !)fait le

rapprochement entre les nombres binaires, l’algèbre booléenne et les circuits électriques. Il prouve que les nombres binaires

permettent de représenter les relations logiques, mais aussi les opérations des circuits électriques. Il permet ainsi de faire le lien entre les deux et de construire des circuits pour « calculer des expressions logiques ».

& J. Sam Haroud

Génération 0 :Le relais électromécanique (1930–1945)

1936 :Konrad Zusefabrique les machines électromécaniquesZ1et Z2, fonctionnant selon le système binaire. Puis il construit un

calculateur binaire universel avec 2’600 relais de téléphone (le Z3, 1941). Les programmes sont introduits au moyen d’un film perforé, et une multiplication dure environ 5 secondes. Le Z3 et son successeur le Z4 seront tout deux utilisés en aéronautique et en balistique.

Aux USA, Howard Aiken (IBM et Harvard) réalise, entre 1939 et 1944, une énorme machine électromécanique : leMark 1. Il est capable de multiplier deux nombres de 23 chiffres décimaux en 6 secondes, et d’additionner en 3 dixièmes de secondes. Mais, avec plusieurs milliers de roulements à billes, et 760’000 pièces électromécaniques, le Mark 1 se révéla obsolète avant même son achèvement.

D’autres chercheurs réalisèrent, pendant cette période, des prototypes de calculateurs ; parmi eux, citons encore John Atanasoff (université de l’Iowa) et George Stibitz (Bell Laboratories), qui tout deux adoptèrent le système binaire.

Première génération : Le tube à vide (1945–1955)

Colossus, le premier calculateur électronique numérique vit le jour en 1943. Construit par les services spéciaux britanniques (dontAlan Turing), Colossus permet le décryptage des messages radios ennemis codés au moyen de la fameuse machineEnigma.

Par ailleurs, les travaux d’Eckert et Mauchly (financés par l’armée américaine), aboutissent, fin 45 début 46, en la réalisation du célèbre ENIAC. Il en résultat une multitudes de projets et de machines (Johniac, Illiac, Maniac, Weizac, Edvac, l’IAS, Whirlwind,...) dont l’EDSAC, finalisé en 1949, qui reprend les principes énoncés en 1945 parJohn Von Neumann, alors consultant sur le projet ENIAC, décrivant «l’architecture de Von Neumann» qui guida la conception des ordinateurs jusqu’à nos jours. )

Seconde génération : le transistor

Début de l’industrie informatique (1955–1965)

Letransistor (Bell Labs, 1948), est utilisé dans les ordinateurs, en remplacement des tubes à vide, si encombrants, coûteux et peu fiables.

Les ordinateurs deviennent plus petits, plus performants.

Les mini-ordinateurs apparaissent avec le PDP-1de DEC ;

Relativement bon marché, ce type d’ordinateurs se vend bien, et ouvre la voie à de nouvelle applications : au MIT, on adjoindra au PDP-1 un écran de visualisation (CRT) de 512x512 points adressables...

... il ne fallut pas longtemps pour que le premierjeu vidéoapparaisse.

Outre IBM et DEC, de nouvelles firmes se lancent sur le marché : HP, Data Général, ...

Commence alors une course effrénée vers des systèmes toujours plus performants, à des prix de plus en plus compétitifs.