Chapitre 2 - L'unité Centrale de l'Ordinateur (PDF)

Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur Objectifs A la fin de ce chapitre, tu dois être capable : de citer les noms et les rôles des différentes parties du microprocesseur de préciser les notions d'unité centrale, de mémoire centrale...

Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur Objectifs A la fin de ce chapitre, tu dois être capable : de citer les noms et les rôles des différentes parties du microprocesseur de préciser les notions d'unité centrale, de mémoire centrale, de microprocesseur et de périphérique d'indiquer le rôle des différentes parties du microprocesseur d'expliquer pourquoi on peut dire que l'ordinateur est "un imbécile qui va très vite" de préciser ce que l'on entend par un "bit" en informatique et donner l'origine anglaise du terme de préciser ce que l'on entend par un "byte" ou un "octet" en informatique et expliquer l'origine du terme français d'expliquer comment on peut déposer des nombres plus grands que 1 dans la mémoire de l'ordinateur d'expliquer comment on peut stocker des caractères dans la mémoire d'un ordinateur d'expliquer comment on peut stocker des images en noir ou en couleur dans la mémoire d'un ordinateur de situer le microprocesseur dans la console d'un PC ; de situer les éléments de mémoire centrale dans la console d'un PC ; d'utiliser les préfixes désignant des quantités d'octets (kilo, méga, giga, tera). Progr CPU BUS 1. Les différentes parties de l'unité centrale RAM L'unité centrale est le cœur de tout ordinateur. Souvent, on définit – à tort – l'unité centrale comme étant "la tour" du système informatique. C'est faux ! Nous allons voir ci-dessous qu'il n'en est pas ainsi, et qu'il est nécessaire de préciser ce qu'est réellement l'unité centrale. 1.1. Le microprocesseur Le "centre nerveux" de la machine est le microprocesseur qui fait partie de l'unité centrale. Il s'agit d'un composant électronique très sophistiqué et très miniaturisé. Dans cette "puce" électronique, on distingue trois sous-unités qui sont respectivement : 1.1.1. L'unité de contrôle encore appelée unité de traitement : c'est elle qui exécute et organise les travaux réalisés par le processeur Informatique 4 TT I Page 13 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur 1.1.2. L'unité de calcul elle-même encore formée de trois sous-unités 1. l'unité arithmétique et logique qui est spécialisée dans les calculs simples (additions, multiplications,...) sur des nombres entiers que doit effectuer le processeur dans certaines tâches, 2. l'unité mathématique qui est spécialisée dans les calculs plus complexes sur les nombres réels (au sens mathématique du terme) : c'est la calculatrice scientifique de l'unité de calculs, 3. l'unité multimédia spécialisée dans les calculs complexes nécessaires au traitement de l'image = != et du son. < + - > x?y : 1.1.3. Les connexions électriques < x Chacune des parties du processeur est reliée aux autres par des connexions électriques appelées des bus. Plus la largeur de bus (nombre de connexions électriques parallèles) est grande, plus la puissance du processeur est élevée. L'ensemble est protégé par un boîtier en matière plastique. Un petit ventilateur et un dissipateur de chaleur généralement posé sur le microprocesseur sert à le refroidir. Il existe différentes marques de microprocesseurs, différents modèles et différentes puissances. 1.2. La mémoire centrale Au microprocesseur, on associe des unités de mémoire qui constituent la mémoire centrale. Elles se présentent généralement sous la forme de petites barrettes que l'on peut enficher dans un support. Tous les autres éléments gravitant autour de l'unité centrale sont appelés des périphériques. Ils permettent de fournir ou de recevoir les informations de l'unité centrale. Informatique 4 TT I Page 14 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur 2. L'unité centrale : synthèse Complète le texte lacunaire avec les mots ou expressions suivants (qui peuvent intervenir plusieurs fois) : unité centrale - périphériques - microprocesseur - mémoire centrale L'ensemble central de l'ordinateur constitué par le microprocesseeur............................. et la..................................... mémoire centrale est encore appelé.............................. unité centrale. Il est associé à un ensemble d'autres composants électroniques qui l'assistent pour faire fonctionner les différents …………………………………... périphériques connectés à l'ordinateur. On peut dire que le cerveau de l'ordinateur est le microprocesseur.................................. qui est la partie essentielle de l'........................................... unité centrale Tous les autres dispositifs sont au service de l'..................................... unité centrale dont ils dépendent ; on les appelle les....................................... périphérique. 3. Le microprocesseur : fonctionnement Le microprocesseur ressemble un peu à un cerveau, puisque c'est lui qui réalise tous les travaux dont la machine est capable. Quelles sont les capacités réelles du microprocesseur ? L'unité de traitement du microprocesseur est le chef d'orchestre des travaux effectués par l'ordinateur. C'est elle qui exécute les programmes qu'on lui fournit, c'est-à-dire des listes d'instructions. Ces instructions sont extrêmement simples : déposer une certaine valeur dans une case de la mémoire centrale, recopier une valeur d'une case dans une autre case, aller chercher l'instruction suivante à telle case de la mémoire centrale,... et surtout, réaliser des calculs arithmétiques à l'aide de l'unité arithmétique et logique, l'unité mathématique ou de l'unité multimédia. L'unité arithmétique et logique, l'unité mathématique et l'unité multimédia du microprocesseur aident l'unité de traitement dans ses problèmes de calculs ; les résultats des calculs sont transférés à l'unité de traitement. 4. Les capacités (limitées) du microprocesseur Un processeur n'est capable que de deux choses : 1. réaliser des calculs plus ou moins complexes à très grande vitesse ; 2. sélectionner telle ou telle partie du programme en fonction du résultat d'un test. Informatique 4 TT I Page 15 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur Un processeur n'est donc pas capable de : comprendre un texte ; décider tout seul d'actions à prendre ;... Le seul avantage du microprocesseur sur l'être humain est sa vitesse de calcul. Actuellement, les microprocesseurs sont capables d'exécuter près de 3 milliards d'opérations (simples) par seconde. Mais, de toute façon, un microprocesseur (et donc un ordinateur) est incapable d'effectuer le moindre travail si on ne lui fournit pas des listes d'instructions précises dans le seul langage qu'il comprend : le langage machine. De telles listes d'instructions sont appelées des programmes d'ordinateur. L'ordinateur n'est qu'un imbécile qui va très vite 5. La mémoire centrale stocke du binaire La mémoire centrale de l'ordinateur est conçue pour y déposer des informations que le processeur ne peut pas retenir. La mémoire centrale est organisée en cases dans lesquelles on peut déposer des informations. Les informations sont très simples : il ne peut s'agir que de signes 0 et 1. Chaque case élémentaire capable de mémoriser 0 ou 1 est appelée un bit (abréviation de binary digit). Le cadre ci-dessous représente une petite partie de la mémoire centrale d'un ordinateur à un moment donné : 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 6. La mémoire centrale stocke des grands nombres Un bit de la mémoire centrale peut contenir le nombre 0 ou le Valeur Codage en 8 bits nombre 1. Comment faire alors si l'on veut que l'ordinateur traite 0 0 0 0 0 0 0 0 0 des nombres plus grands que 1 ? 1 0 0 0 0 0 0 0 1 Il suffit alors de grouper des ensembles de bits de manière à leur 2 0 0 0 0 0 0 1 0 faire correspondre des nombres plus grands. 3 0 0 0 0 0 0 1 1 La mémoire de l'ordinateur est arrangée de manière à grouper 4 0 0 0 0 0 1 0 0 des séries de 8 bits. Un ensemble de 8 bits est appelé un octet 5 0 0 0 0 0 1 0 1 (ou un byte en anglais )...... 255 1 1 1 1 1 1 1 1 Informatique 4 TT I Page 16 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur Tout ceci est facile à illustrer à l'aide de la calculatrice intégrée au système d'exploitation (Windows, par exemple) Clique sur le bouton Démarrer cherche la commande "Programmes", puis l'option "Accessoires" et finalement « Calculatrice » démarre la calculatrice Dans le menu "Affichage" de la calculatrice sélectionne, si nécessaire, l'option "Scientifique". Fais passer la calculatrice en mode "binaire" en cochant le bouton "Bin". Remarque que seuls les chiffres 0 et 1 sont disponibles. Les autres chiffres sont grisés ; il est impossible de les actionner dans ce mode. A l'aide de la calculatrice du système d'exploitation, détermine combien font, en binaire 1+1 = 1+1+1 = 1+1+1+1 = Il est, à tout moment, possible de connaître la valeur décimale d'un résultat en cochant le bouton "Déc" à la place du bouton "Bin" A l'aide de la calculatrice, détermine la valeur en décimale du nombre binaire composé de 8 chiffres "1", c'est-à-dire "1111 1111". Même question pour un nombre composé de 16 chiffres "1". Dans une série de 8 bits, on peut déposer des nombres compris entre 0 et 255. Si l'on veut déposer des nombres plus grands, on peut, par exemple, demander à l'ordinateur de considérer des séries de plus de 8 bits. Les processeurs actuels sont capables de travailler avec des séries de 32 bits successifs, et la nouvelle génération travaille actuellement avec 64 bits. 7. La mémoire centrale stocke des caractères L'ordinateur ne peut "retenir" que des 0 et des 1 (ou éventuellement des nombres plus grands en prenant des séries de 8 bits ou plus). Le code Morse est composé de points (". ") et de barres (" - "). A une certaine combinaison de points et de barres correspond une lettre ou un chiffre. Exemples : ".- " = "A" ; " -.. " = "B" ; " -.-. " = "C" ; etc... De la même manière, en utilisant des "0" et des "1" à la place des "." et des "-" , il est également possible de coder des caractères. Exemples : "1000001" = "A", "1000010" = "B", "1000011" = "C"... Grâce à ce système, il est possible de faire correspondre des codes à 256 caractères différents. Un octet permet donc de mémoriser un caractère alphabétique, numérique, signe de ponctuation,... dans la mémoire centrale. Informatique 4 TT I Page 17 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur La table ci-dessous correspond au codage des caractères selon la norme américaine ASCII (American Standard Code for Information Interchange), dans sa version étendue aux caractères accentués et spéciaux (de 128 à 255). 8. La mémoire centrale stocke des images en noir Une image en noir et blanc est composée d'une série de points. Deux possibilités pour chaque point : il peut être noir, ou être blanc On peut prendre la convention que : un point blanc (pixel de l'écran allumé) est représenté par un "1" et un point noir (pixel de l'écran éteint) est représenté par un "0". Ainsi, il sera possible de déposer cette image dans la mémoire de l'ordinateur. Un bit permet donc de coder un point de l'image en noir et blanc. Informatique 4 TT I Page 18 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur 9. La mémoire centrale stocke des images en couleurs Pour stocker une image en noir et blanc, il suffit donc de convenir que le noir est codé par le chiffre "0" et le blanc par le chiffre "1". Mais comment faire alors pour coder une image qui compterait plus de couleurs ? Pour déposer la même image que précédemment, mais en couleurs, en mémoire centrale, il suffit de convenir que chaque point de l'image est représenté par un nombre qui correspond à une certaine couleur dans une palette de couleurs. Dans la palette ci-dessus, la couleur 0 serait le noir, la couleur 2 serait le jaune, etc... Pour une image en 16 couleurs comme ci-contre, il faut que chaque point de l'image soit codé par un nombre en 4 bits (compris donc entre 0 et 15). Chaque nombre désigne la couleur dans la palette. Si l'on souhaite que l'image puisse contenir 256 couleurs différentes, il faut convenir que chaque point est représenté par une valeur sur 8 bits. La palette contient alors 256 couleurs différentes. 9.1. Exercices L'image ci-contre à droite représente le dessin d'une lettre "A" présentée en 3 couleurs. L'image inférieure en 3D détaille la composition de l'image dans la mémoire de l'ordinateur. 1. De combien de pixels est formée cette image ? Pour répondre, utilise plutôt l'image en 3D qui est plus précise. 1 pixel 8 pixels 96 pixels Une infinité de pixels 2. Combien y a-t-il de bits par pixel, dans cette image 1 bit 2 bits 8 bits 96 bits Informatique 4 TT I Page 19 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur 3. Combien de couleurs pourrait, au maximum, contenir cette image? 2 couleurs 3 couleurs 256 couleurs Une infinité de couleurs Si l'on souhaite que l'image contienne plus de couleurs, on pourra utiliser plus de bits pour chaque point. Le codage sur 16 bits permet d'obtenir 65536 couleurs différentes. Le codage sur 24 bits, le plus courant puisqu'il est la base du système RVB, permet d'obtenir plus de 16 millions de couleurs (224 couleurs). 1. Combien d'octets utilise-t-on par pixel, dans une image couleur en 24 bits? Un octet Deux octets Trois octets Quatre octets 2. Pourquoi une image en noir et blanc occupe-t-elle généralement moins de place en mémoire qu'une image en couleurs de même dimension ? 10. La mémoire centrale et le courant électrique Afin de permettre de retrouver les informations stockées en mémoire, chaque octet de la mémoire centrale est doté d'une adresse. Le processeur est capable d'interroger ces adresses afin d'y déposer une information ou d'en connaître le contenu. Par exemple, on peut demander au processeur de déposer une valeur ou le code d'un caractère dans l'octet n°428256. Quand le processeur écrit une valeur dans un octet, la valeur qui y était écrite est écrasée, et donc définitivement perdue. En réalité, chaque "bit" dans la mémoire centrale est un petit interrupteur capable de laisser passer le courant ou de ne pas le laisser passer. Il est formé par une sorte d'interrupteur. La valeur "1" dans un bit correspond au passage du courant électrique dans la case mémoire correspondante. La valeur "0" correspond à l'absence de courant. Si l'on coupe l'alimentation électrique de l'ordinateur, le contenu des mémoires s'efface définitivement (valeur 0). Ces interrupteurs sont des composants électroniques appelés "transistors". L'image ci-contre présente un transistor utilisé dans certains appareils électroniques. Les transistors qui constituent les mémoires des ordinateurs doivent être beaucoup plus petits car il faut en mettre un très grand nombre dans un très petit volume. Informatique 4 TT I Page 20 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur L'image ci-dessous montre une barrette de mémoire (ici, d'un ordinateur portable). A l'heure actuelle, ces barrettes ont souvent une capacité de 4 à 16 Go (4 à 16 milliards d'octets). 10.1. Exercice La mémoire d'un vieille ordinateur est de 512 millions d'octets (valeur qui était classique en 2006), elle contient donc : 512 transistors 512 millions de transistors plus de 4 milliards de transistors c'est impossible de le dire 11. La mémoire centrale: mesures de capacité La capacité de la mémoire des ordinateurs peut se mesurer en nombre d'octets disponibles. On l'exprime souvent en multiples de l'octet. Unité Symbole Valeur Valeur en français 1 Kilo-octet = (Ko ou KB)* = 1024 octets (± 1 millier d'octets) 1 Kilobyte 1 Méga-octet = (Mo ou MB)** = 1024 Kilo-octets =(± 1 million d'octets) 1 Mégabyte 1 Giga-octet = (Go ou GB)*** = 1024 Méga-octets =(± 1 milliard d'octets) 1 Gigabyte * Il faut prononcer "Kilo-octet" ou "KiloByte". ** Il faut prononcer "Méga-octet" ou "MegaByte". *** Il faut prononcer "Giga-octet" ou "GigaByte". Informatique 4 TT I Page 21 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur Au début des années 1980, de petits ordinateurs vendus au grand public étaient munis d'une mémoire de 1 Ko (exemple : le Sinclair ZX-81 ci-contre) ! Au milieu des années 80, un des ordinateurs les plus populaires était doté de 64 Ko de mémoire (comme le très célèbre Commodore 64) ! Les ordinateurs du type PC ont au minimum une mémoire de 640 Ko (pour les très anciens de la fin des années 80). La capacité habituelle est maintenant de 1 à 4 Go (en 2011). 11.1. Des KB, des Kb, des kB et des kb Dans les unités de mesures scientifiques, on utilise le préfixe "k" pour représenter des milliers. Par exemple, on écrit "la circonférence terrestre mesure 40.000 km". Le préfixe "k" (minuscule) signifie bien qu'il faut multiplier l'unité de mesure par 1000. En informatique, et pour des raisons techniques, un kilo-octet est formé de 1024 octets (et non de 1000). Pour distinguer, on utilisera le préfixe "K" (majuscule, donc) pour représenter cette multiplication de l'unité. On écrit, par exemple: "la mémoire de ce vieil ordinateur a une capacité de 256 Ko". k (minuscule) signifie x1000 K (majuscule) signifie x1024 Pareil pour le Mo, qui ne veut pas dire 1 000 000 d'octets, mais 1024 x 1024 octets, soit 1 048 576 octets. D'autre part, il faut bien veiller à ne pas confondre le "bit" et le "byte" (= octet, formé de 8 bits). On a donc convenu de deux symboles différents pour ces deux unités de capacité de mémoire. un bit se représente par la lettre "b" (minuscule, donc) un byte se représente par la lettre "B" (majuscule, donc) 12. Exercices 1. Quelle est la plus grande quantité de mémoire (sois bien attentif à la façon dont les réponses possibles sont écrites) ? O x 256 KB O 256 Kb O 256 kB 2. Quelle est la plus grande quantité de mémoire ? O un octet O un byte O 8 bits O x Aucune des autres réponses ne convient Informatique 4 TT I Page 22 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur 3. Quelle est l'affirmation correcte ? O x 1 GB> 1 KB O 1 MB> 1 GB O 1 KB = 1 kB 4. Dans l’ordre du plus petit au plus grand, il faut placer O x 1 Ko, 1 Mo, 1 Go O 1 Ko, 1 Go, 1 Mo O 1 Mo, 1 Ko, 1 Go 5. 1 Mo représente O 1 024 octets O x 1 048 576 octets O 1 073 741 824 octets 6. Dans 1 Go, il y a environ O 10 Mo O 100 Mo O x 1 000 Mo 7. Quelle est la plus grande capacité mémoire ? O 100 Mo O x 1 Go O 10 000 Ko Informatique 4 TT I Page 23 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur Informatique 4 TT I Page 24