Systèmes informatiques

Un système informatique se compose de deux parties principales : le matériel (hardware) et le logiciel. Le matériel comprend les composants physiques du système informatique, tels que les disques durs, les cartes mères et les puces de processeur. Le logiciel se compose des programmes que vous exécutez, tels que les lecteurs multimédias ou les navigateurs Web, et des données nécessaires au fonctionnement de ces programmes. Par exemple, le lecteur multimédia est un programme, et les chansons que vous écoutez à l'aide du lecteur multimédia sont des données. Ainsi, le matériel exécute des programmes qui sont alimentés en données. Les ordinateurs se présentent sous différentes formes, des petits que l'on trouve dans votre montre connectée, par exemple, aux grands superordinateurs. Différents ordinateurs peuvent avoir des composants différents en plus de ceux qui existent dans toutes les formes d'ordinateurs. Les ordinateurs plus grands, les centres de données et les superordinateurs nécessitent des composants supplémentaires pour obtenir des données de plusieurs sources, des pièces plus sophistiquées pour se connecter à Internet et des équipements de refroidissement. Les mainframes créés il y a quelques décennies sont de grands ordinateurs utilisés à des fins différentes. Vous n'en avez pas besoin dans votre smartphone.

Stockage des données dans un ordinateur

Tous les programmes et leurs données correspondantes sont stockés dans un ordinateur ou téléchargés depuis Internet. Alors, comment ces programmes et ces données sont-ils stockés ? Et comment un ordinateur les comprend-il et les exécute-t-il ? Les ordinateurs ne comprennent pas l'anglais ni d'autres langues naturelles ; ils ne peuvent se rapporter qu'à des chaînes de 1 et de 0 et, par conséquent, tous les programmes et données doivent être stockés dans l'ordinateur sous forme de séquence de 1 et de 0. Un 1 ou un 0 est appelé chiffre binaire ou bit (bit). Chaque unité de 8 bits est appelée un octet (byte). C'est à peu près ainsi que fonctionnent les ordinateurs qui dépendent de l'électricité. D'autres types, encore non commercialisés mais en phase de conception et de test, tels que les ordinateurs quantiques, n'utilisent pas de bits mais quelque chose d'autre appelé bits quantiques ou qubits.

Si nous disons qu'un programme d'édition de texte occupe 1 mégaoctet de stockage, cela signifie que l'éditeur est stocké à l'intérieur de l'ordinateur, plus précisément sur le disque (disk) de votre ordinateur, qui est un mécanisme de stockage (storage) de données, sous forme d'une séquence de près d'un million d'octets (1 mégaoctet est un peu plus grand qu'un million d'octets). Nous appelons un programme stocké dans un ordinateur un exécutable (executable). Puisque les programmes et les données sont stockés sous forme de séquence de bits ou d'octets, quelle est la différence entre un programme et les données ?

Programmes d'application et exécutables

Les programmes que nous utilisons dans nos systèmes informatiques, appelés applications (applications), ont été conçus et écrits par des développeurs de logiciels à l'aide de langages informatiques, également appelés langages de haut niveau (HLL). Les HLL ont été conçus pour faciliter l'interaction entre les développeurs de logiciels et les ordinateurs. Cependant, les ordinateurs ne comprennent pas les HLL. Les ordinateurs ne comprennent que les 1 et les 0. Il existe donc un ensemble de programmes conçus pour traduire les programmes écrits en HLL en 1 et 0 que les ordinateurs peuvent comprendre. Les programmes écrits par les développeurs de logiciels sont traduits en un ensemble d'instructions telles que : « Ajouter le nombre 1 au nombre 2 et enregistrer le résultat comme nombre 3. » Ces instructions sont stockées sous forme de série de 1 et de 0. Chaque groupe de ces 1 et 0 représente une seule instruction. Toutes les instructions, dans leur représentation en 1 et 0, sont stockées dans un fichier appelé fichier exécutable sur le disque.

Lorsque vous cliquez sur une icône ou tapez une commande, le système d'exploitation, un logiciel dont le rôle est de gérer l'interaction entre l'utilisateur de l'ordinateur, le matériel et les programmes, charge l'exécutable du stockage vers la mémoire de l'ordinateur. À ce stade, l'ordinateur est prêt à commencer l'exécution du programme. Figure 5.3 montre les étapes d'écriture de programmes, dans divers HLL par des développeurs de logiciels, puis la traduction de ces programmes en un exécutable (la représentation du programme en 1 et 0) à l'aide d'une chaîne d'outils logiciels spéciale (Figure 5.3). Ce logiciel spécial qui traduit les HLL en exécutables comprend des outils appelés compilateurs, assembleurs et éditeurs de liens. Nous ne discuterons pas de ces outils ici (référez-vous à 5.2 Niveaux d'abstraction des ordinateurs et 5.4 Représentation des programmes de niveau machine), mais nous savons maintenant ce qu'ils font. Ici, nous examinerons comment le matériel exécute les instructions.

Figure 5.3 Les programmes développés dans des langages de haut niveau (HLL) tels que C++, Java ou Python sont ensuite traduits en exécutables qu'un ordinateur peut exécuter. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Organisation matérielle des systèmes

Une fois l'exécutable en mémoire, le matériel doit effectuer plusieurs opérations pour l'exécuter. Rappelons qu'un exécutable est un groupe d'instructions sous forme de 1 et de 0. Le matériel doit d'abord récupérer une instruction de la mémoire en la transférant de la mémoire vers le CPU, qui est le cerveau de l'ordinateur et qui exécute les instructions d'un programme. Une fois l'instruction récupérée de la mémoire et stockée dans un emplacement de stockage temporaire à l'intérieur du CPU, appelé registre, le CPU décode cette instruction ; c'est-à-dire qu'il déchiffre ou comprend la signification des plusieurs 1 et 0 qui constituent l'instruction. Par exemple, le programme logiciel peut contenir une instruction telle que « ajouter ce nombre x au nombre y et placer le résultat dans z. » Puisque les ordinateurs ne comprennent pas l'anglais, cette instruction est stockée à l'intérieur de l'ordinateur sous forme de 1 et de 0. Le CPU doit lire ces 1 et 0, comprendre ce qu'ils signifient (c'est-à-dire les décoder), puis les exécuter.

Une fois l'instruction décodée, le CPU ordonne à l'unité arithmétique et logique (ALU) (arithmetic logic unit (ALU)) de l'exécuter. L'ALU est le composant matériel à l'intérieur du CPU qui effectue des calculs et des opérations logiques telles que des comparaisons. Une fois l'instruction exécutée, le résultat est enregistré dans un registre ou renvoyé à la mémoire. Le CPU est maintenant prêt à récupérer l'instruction suivante. Figure 5.4 montre le matériel d'un système informatique. À l'intérieur du CPU, nous pouvons voir l'ALU, un groupe de registres (appelé un fichier de registres (register file)), et un composant matériel, appelé contrôleur de mémoire, qui aide le CPU à communiquer avec la mémoire. À l'intérieur du CPU, nous trouvons également un stockage rapide, plus rapide que la mémoire mais plus lent que le registre (register), appelé mémoire cache. Nous discuterons de la mémoire cache dans 5.5 Hiérarchie de mémoire.

Figure 5.4 Tout système informatique se compose de plusieurs composants qui, ensemble, aident l'ordinateur à exécuter des programmes. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Un dernier composant matériel à l'intérieur du CPU est l'interface d'E/S. L'interface d'entrée-sortie (I/O) (input/output (I/O)) aide le CPU à communiquer avec les autres périphériques d'E/S tels qu'un clavier ou une souris. Toutes les pièces — CPU, mémoire, carte graphique — sont connectées via un ensemble de fils appelé bus (bus). Le but d'un bus est de transférer des données entre les différentes pièces de l'ordinateur. Les bus peuvent différer en vitesse, ce qui affecte la rapidité du transfert des données. Figure 5.4 utilise le mot générique interconnexion pour désigner les bus. Nous pouvons ajouter d'autres périphériques au système informatique (computer system), comme un écran différent, via des emplacements d'extension.