Système

Introduction aux
systèmes informatiques
Eduardo Sanchez
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Système
Un système est une collection organisée d'objets qui
interagissent pour former un tout
Objets = composants du système
Des interconnexions (liens) entre les objets sont nécessaires pour
les interactions
Structure = (composants, interconnexions)
Comment le système est fait
Comportement = (entrées, sorties)
Ce que le système fait (comment il répond aux entrées)
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composant
entrées
sorties
interconnexion
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Le comportement d'un système peut être décrit
formellement par des équations du type:
Z = ƒ (X)
X
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ƒ
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Z
Analyse:
Déterminer le comportement d'un système à partir d’une
description de sa structure
Synthèse:
Déterminer la structure qui produit un comportement donné.
Plusieurs structures sont possibles pour un même comportement
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Informatique
Petit Robert:
Science du traitement de l'information; ensemble de techniques
de la collecte, du tri, de la mise en mémoire, du stockage, de la
transmission et de l'utilisation des informations traitées
automatiquement à l'aide de programmes mis en oeuvre sur
ordinateurs.
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Système informatique
Un système informatique est un ensemble de composants de
type logiciel (software) et matériel (hardware), mis ensemble pour
collaborer dans l'exécution d'une application
Le principal composant matériel est l’ordinateur
Un informaticien doit comprendre le fonctionnement de tous les
composants d’un système, sans se limiter au logiciel. En effet, les
caractéristiques du matériel agissent sur la justesse et la
performance des programmes
Une bonne connaissance du matériel permet d’éviter des erreurs
et d'augmenter la performance, en optimisant les programmes
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Un ordinateur est une machine électronique composée de
plusieurs parties interconnectées par des fils
A tout moment, tout fil dans l'ordinateur se trouve à un voltage
haut ou bas. La valeur réelle n'intéresse pas: c’est seulement un 1
ou un 0
On peut voir 4 grandes parties dans un ordinateur:
dispositifs
d’entrée
processeur
mémoire
bus
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dispositifs
de sortie
Le bus est un ensemble de fils électriques interconnectant les
différents composants
Les dispositifs d’entrée/sortie transmettent l'information entre
l'extérieur et la mémoire. Toute information dans l'ordinateur est
codée comme une séquence de 0 et 1: c'est les bits. Un groupe
de 8 bits est un byte. Et il est courant d'utiliser les préfixes
suivants pour indiquer une certaine quantité d'information:
• kilo = 210 = 1'024
• mega = 220 = 1'048'576
• giga = 230 = 1'073'741'824
Le processeur dirige le traitement de l'information et réalise ce
traitement. Diriger, c'est décider quelle tâche exécuter et dans
quel ordre, contrôler toutes les autres parties
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CPU
registres
PC
ALU
bus système
interface du bus
I/O
bridge
bus mémoire
mémoire
principale
bus I/O
contrôleur
USB
souris
clavier
adaptateur
graphique
slots d'expansion
pour d'autres dispositifs
contrôleur
de disque
écran
disque
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Tout ce qui peut être calculé, peut l'être par un ordinateur, pour
autant qu'il ait assez de temps et de mémoire: l'ordinateur est un
dispositif de calcul universel
L'universalité de l'ordinateur est possible grâce à la
programmation: l'utilisateur doit indiquer par un programme les
pas à suivre pour exécuter une tâche particulière
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Les niveaux d'abstraction
L'abstraction se réfère à la distinction entre les propriétés
externes d'un système et les détails de sa composition interne
L'abstraction d'un système comprend:
• la suppression de certains détails pour montrer seulement l'essence du
sujet (pour chaque niveau d'abstraction il faut pouvoir différencier ce qui
est essentiel des détails superflus)
• une structure
• une division de responsabilité à travers une chaîne de commande
• une division en sous-systèmes
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L'abstraction permet une conception hiérarchique des systèmes
L'abstraction permet de gérer des systèmes très complexes en
connaissant seulement les choses qui nous intéressent à un
moment donné
Nous pouvons donc voir un système à plusieurs niveaux de détail.
A chaque niveau, le système est vu en termes de composants
dont nous ignorons la composition interne
Les différents niveaux d'abstraction peuvent se représenter sous
trois formes:
• diagrammes de niveau
• diagrammes d'imbrication
• diagrammes ou arbres hiérarchiques
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plus haut niveau d'abstraction
plus bas niveau d'abstraction
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Niveaux d'abstraction en informatique
La solution d'un problème en informatique va du niveau le plus
abstrait vers le niveau le plus détaillé
Un grand système informatique est organisé de façon
hiérarchique: une partie prend ses ordres de la partie
hiérarchique supérieure et, à son tour, peut transmettre ses
ordres à des parties inférieures hiérarchiquement
Il n'est pas nécessaire de connaître complètement chaque niveau
d'un système informatique pour l'utiliser correctement
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Les niveaux d'abstraction d'un système informatique sont:
•
•
•
•
•
•
•
•
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application
algorithme
langage de haut niveau
système d'exploitation
architecture de la machine
microarchitecture
circuits logiques
dispositifs électroniques
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programmes d'application
logiciel
système d'exploitation
processeur
mémoire
principale
dispositifs
I/O
matériel
processus
mémoire virtuelle
fichiers
processeur
mémoire
principale
dispositifs
I/O
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Un algorithme est un ensemble fini d'instructions qui, exécutées
dans la bonne séquence, résolvent un problème dans un temps
fini. Une recette de cuisine est un exemple d'algorithme
Un programme est un algorithme écrit pour exécution dans un
ordinateur
A chaque niveau on peut utiliser un langage différent:
•
•
•
•
•
•
•
•
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langage naturel
langage dépendant de l'application
langage de programmation indépendant de la machine
langage assembleur
appels du système d’exploitation
langage machine
langage de transfert de registres
algèbre booléenne
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Un programme pour une certaine tâche peut être écrit en
utilisant n'importe lequel de ces langages
Une fois que l'algorithme pour exécuter une tâche est connu, il
peut être exécuté sans comprendre les principes sur lesquels il se
base: l'intelligence pour résoudre un problème se trouve dans
l'algorithme
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Réalité versus Abstraction
L'abstraction est utile et nécessaire, mais il ne faut pas oublier la
réalité
Les abstractions possèdent toujours des limites qu'il faut
connaître
Avantages pour un programmeur:
• détection et élimination des erreurs plus efficace
• optimisation rationnelle des programmes
• préparation pour d'autres cours (compilation, systèmes d'exploitation,
réseaux, systèmes embarqués)
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Exemples
Les int ne sont pas des entiers et les float ne sont pas des réels
Est-ce que x2 0 est toujours vrai?
• pour les float, oui
• pour les int, pas toujours:
40000 * 40000 1600000000
50000 * 50000 ??
Est-ce que (x+y)+z = x+(y+z) est toujours vrai?
• pour les int, oui
• pour les float, pas toujours:
(1e20 + -1e20) + 3.14 3.14
1e20 + (-1e20 + 3.14) ??
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La probabilité d'écrire des programmes en assembleur (langage
machine) est très faible, étant donné la qualité des compilateurs
Toutefois, la connaissance du langage machine est clé pour:
• la compréhension du comportement des programmes en présence
d'erreurs
• la compréhension des sources d'inefficacité des programmes, pour mieux
les optimiser:
identification des goulets d'étranglement
mesure de la performance
la façon d'écrire le code peut multiplier la performance par 10
• L'implémentation des logiciels système (compilateurs, systèmes
d'exploitation, systèmes embarqués)
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La mémoire d'un système est limitée et doit être allouée et gérée
convenablement
La performance de la mémoire d'un système n'est pas uniforme:
• les effets des mémoires cache et virtuelle peuvent avoir une grande
influence sur la performance des programmes
• l'adaptation des programmes aux caractéristiques de la mémoire peut
amener des améliorations substantielles de la vitesse du système
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