Exercice – Architectures matérielles et systèmes d’exploitations

Architecture de Von Newmann. Rôles et caractéristiques des constituants d'une machine

Architecture de Von Newmann

 

L’architecture d’un ordinateur porte le nom de Von Newmann qui travaillait sur le projet ENIAC.

 

Les 4 composants essentiels d’un ordinateur

 

1 – Le premier élément est la mémoire, que l’on devrait plus rigoureusement appeler les mémoires du fait de leur nombre.
On distingue ainsi la mémoire RAM (Read Access Memory) qui est accessible en lecture et en écriture mais qui est volatile. Cela signifie qu’à l’arrêt de l’ordinateur, toutes les données stockées sur cette mémoire sont effacées. Cette mémoire stocke les données et les programmes en cours d’exécution. 

Une autre mémoire est la ROM (Read Only Memory) qui fonctionne uniquement en lecture et qui est non volatile. Cette mémoire contient les éléments nécessaires au démarrage de l’ordinateur. Enfin, une autre mémoire est présente dans le processeur (ou CPU) : ce sont les registres, qui gèrent les instructions et les calculs nécessaires au bon déroulement du programme. Ils sont très rapides mais peu nombreux. 

Une idée essentielle à retenir est que plus on s’éloigne du processeur, plus on dispose de mémoire mais plus le temps d’accès à la mémoire est important et donc le calcul en est ralenti. 

 

2 – Le second élément qui constitue un ordinateur est l’unité de calcul, aussi appelé processeur ou CPU qui gère les calculs et donc les instructions. 

 

3 – Un autre élément constitutif est l’unité de contrôle qui décode les instructions en cours et les transforme en micro opérations qui seront ensuite gérées par le CPU.

 

4 – Enfin, une horloge assure la synchronisation du fonctionnement de l’ensemble de la machine.

 

Tous ces éléments communiquent entre eux à l’aide de bus de données. 

Transmission de données dans un réseau

Transmission de données dans un réseau

 

Les ordinateurs, smartphones, tablettes communiquent entre eux et avec des serveurs et échangent énormément d’informations. Au début des années 60, l’agence ARPA, qui fut fondée à la suite de la création de l’arpanet, réseau militaire qui est l’ancêtre du réseau internet, commence à découper l’information en paquets indépendants qui connaissent l’adresse de leur destinataire et peuvent passer par des routes différentes.

Une fois les paquets reçus par le demandeur, l’information est reconstituée. Si un paquet est égaré, lui seul est alors renvoyé. En 1968 est inventé le protocole IP : chaque ordinateur possède une adresse IP, codée sur 4 octets. Au tout début, le réseau est un simple maillage entre ordinateurs sans hiérarchie. 

 

La communication entre ces divers appareil obéit à un ensemble de règles précises que l’on appelle protocole (TCP, IP, HTTP). 
Le protocole TCP/IP, inventé en 1974, est présenté sous forme de couches :
– une couche application, gérée par le protocole HTTP
– une couche de transport, gérée par le protocole TCP
– une couche internet, gérée par le protocole IP
– les accès réseaux, gérés par des trames Ethernet et wifi.

 

Exemple :

On considère l’ouverture d’une page web.
L’ouverture de la page est gérée par le protocole HTTP, qui est la couche externe du protocole TCP/IP. Cette couche a pour but de créer un tunnel virtuel dans lequel les informations peuvent transiter de manière sécurisée. Il s’agit d’une explication simplifiée de ce protocole.
L’information reçue est alors mise en paquets, c’est à dire découpée, par le protocole TCP.
Ces paquets sont ensuite encapsulés dans des paquets adressés, c’est à dire possédant une adresse IP. C’est la phase de gestion du transit, qui permet à chaque paquet, à qui fut adjoint une adresse IP, de connaitre sa destination.
Enfin, les paquets adressés IP sont gérés et envoyés dans des trames, qui ajoutent les adresses physiques des appareils. 

Lorsque le récepteur reçoit ces paquets, la démarche est l’inverse de celle précédemment évoquée.
Dans un premier temps, le protocole IP gère la bonne réception et envoie un accusé de réception à l’émetteur. Si cet accusé n’est pas reçu par l’émetteur, ce dernier renvoie alors exactement le paquet manquant à la même adresse IP.
Dès lors que l’ensemble des paquets a été reçu, les paquets sont désadressés. Le protocole TCP regroupe les paquets entre eux, afin que l’information initiale soit reconstituée par le récepteur. 
Enfin, la page web s’ouvre. 

Architecture d'un réseau

Architecture d’un réseau

 

Les ordinateurs, les tablettes, les smartphones peuvent être inter-connectés via leur carte réseau (ethernet, wifi).
Il existe plusieurs types de connexion.
Dans certains réseaux, il n’existe pas de hiérarchie entres les machines, qui sont alors toutes au même niveau : ce sont les réseaux peer-to-peer. Les machines peuvent être à la fois demandeur ou distributeur, c’est à dire client et serveur à la fois. Ce type de connexion est utilisé pour le partage de fichiers. 

Il existe aussi le réseau client (demandeur) – serveur (fournisseur). 

Il y a plusieurs topologies pour ce type de réseau : 

– les réseaux en ligne, pour laquelle les appareils connectés sont en série, sur une même ligne.
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– les réseaux en étoile

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– les réseaux en anneaux

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– les réseaux hiérarchisés en arbre

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Les connexions peuvent être filaires, à l’aide de câbles ethernet et de switchs ou routeurs ou hub, ou sans fil, à l’aide de concentrateur wifi par exemple. 
Les hubs ne permettaient de différencier les appareils connectés et envoyaient donc les informations à tous les utilisateurs du réseau, même si ces derniers n’en avaient pas l’utilité. C’est pourquoi on leur préfère aujourd’hui les routeurs ou switchs.
Les switchs, routeurs ou concentrateur wifi différencient chaque appareil connecté grâce à leur adresse IP par exemple et envoient à chaque appareil uniquement les informations dont il a besoin.

 

Exemple :

On donne l’exemple d’un réseau chez un particulier, disposant d’une box au centre du réseau. Cette dernière est reliée à un ordinateur à l’aide d’une connexion filaire. Les smartphones sont connectés à la box à l’aide d’une connexion wifi. Le décodeur TV est très souvent relié à la box par un câble grâce aux prises mâle et femelle. Enfin, la box est reliée au réseau général internet grâce à un câble DSL ou à la fibre.  

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Périphérique d'entrées-sorties

Périphériques d’entrées/ sorties

 

Sur un ordinateur, on retrouve un certain nombre de périphériques d’entrées/ sorties qui sont par exemple le clavier, la souris, l’écran, l’imprimante, une caméra… Ces périphériques sont connectés via un fil branché sur un port de l’ordinateur ou sans fil, via WIFI ou Bluetooth. L’utilisateur provoque une action sur le périphérique (via par exemple un clique de souris, la frappe d’une touche,…) et le résultat est alors visible sur ce dernier (impression d’un document,…). 

Les systèmes embarqués tels que les robots ou les objets connectés disposent d’un actionneur, leur permettant d’agir sur le monde réel. Ils sont pilotés à l’aide des informations reçues par les capteurs et traitées par  le système. Le capteur “capte” des informations du monde réel : température, mouvement, son, lumière,… Le système embarqué contient un CPU, des mémoires, des ports Entrée/Sortie, des capteurs et actionneurs. C’est un ordinateur qui ne dispose pas de clavier, d’écran ni de souris. 

Exemple :

Vélo électrique, robots, cafetière, …
Une alarme par exemple possède des capteurs permettant de détecter un mouvement ou une pression. Une fois le mouvement ou la pression captée, l’information est traitée dans le CPU qui renvoie alors à l’actionneur l’information d’avertir les autorités compétentes et de déclencher une sirène.

Une Interface Homme/Machine est souvent ajoutée de manière à faciliter la communication avec le système embarqué. Tous les systèmes embarqués n’en disposent cependant pas, comme c’est le cas pour le satellites pour lesquels la communication se fait par d’autres moyens. 

Enfin, on désigne par objet connecté un système embarqué possédant une connexion internet (montres, smartphones, …).