Introduction Historique et volution des ordinateurs

Pr. Omar MegzariDpartement de Mathmatiques & Informatique

megzari@fsr.ac.ma

DfinitionsINFORmation autoMATIQUEScience du traitement automatique de linformationEnsemble des applications de cette science, mettant en uvre des matriels (ordinateurs) et des logicielsSystme Informatiquematriel (hardware) + du logiciel (software)

DfinitionsOrdinateur : machine calculer (calculateur) lectronique dote de mmoires, de moyens de traitement des informations, capable de rsoudre des problmes grce lexploitation automatique de programmes enregistrsProgramme : ensemble squentiel dinstructions rdiges pour que lordinateur puisse rsoudre un problme donnLogiciel : ensemble de programmes relatif des traitements d'informations (ex. Windows, Word...)

Ordinateur et changements technologiquesPremire gnration: Tubes lectroniques (lampes vide)Deuxime gnration: transistorsTroisime gnration: circuits intgrsQuatrime gnration: microprocesseurs.Cinquime gnration: intelligence artificielle.

Premier micro-ordinateur1973: Micral-N de R2E C'est le premier micro-ordinateur du monde, il a t invent par A. TRUONG, fondateur de R2E: une petite socit franaise

Le Micral N et sa carte unit centrale

ENIAC pesait 30 tonnes

Dispos en une sorte de U de 6 mtres de largeur par 12 mtres de longueur.

Premire gnration 1949-1957Ordinateur cartes perfores et bandes magntiquesProgrammation physique en langage machineCalcul numrique (trigonomtrie)Appareils immenses, lourds, nergie leveUtilisation de tubes vide et mmoires tambour magntiquePrix lev / capacit et performance.

Deuxime gnration 1958 - 1964Utilisation de transistors et des mmoires ferrite.Transistor => augmentation de la fiabilitUtilisation de mmoires de masse pour le stockage priphriques.Temps daccs moyen (de lordre de la micro-seconde).Fonctionnement squentiel des systmes de programmation (langages volus):FORTRANMainframes

Premier calculateur transistoris: TRADIC

Troisime gnration 1965-1971Miniaturisation des composants (circuits intgrs)Apparition des systmes dexploitationConcepts de temps partagsMachines polyvalentes et de capacit varieAppareils modulaires et extensiblesMultitraitement (plusieurs programmes la fois)Tltraitement (accs par tlphone)UNIXMini ordinateurs

Quatrime gnration 1971-1982Miniaturisation extrmes des composantsApparition des microprocesseursDiversification des champs dapplicationApparition de la micro-informatiqueLaspect logiciel prend le pas sur laspect matriel

Cinquime gnrationMiniaturisation des composants pousse lextrmeVitesse proche de celle de la lumire.Vitesse de traitement augmente jusquau gigalips (de 100 1000 instructions)Processeurs en parallleNouvelles structures et reprsentations des donnes.

Schma de la machine de Von NewmanUAL = unit arithmtique et logique

Machine de Von NewmanCes dispositifs permettent la mise en oeuvre des fonctions de base d'un ordinateur :

-le stockage de donnes, -le traitement des donnes, -le mouvement des donnes et -le contrle des priphriques.

Schma matriel gnralUnit Centrale(microprocesseur + mmoires)Priphriquesde sortiePriphriquesdentre- clavier- souris- ...- cran- imprimante- ...Priphriques de stockagerseau

Carte mrePCIISASIMM

Lunit centrale Le (micro)processeur ou CPU : Central Processing Unit Il excute les programmes :un programme est une suite dinstructionsUnit arithmtique et logique (UAL) et Unit de commande

Mmoire vive : RAMRAM (Random Access Memory)Permet de stocker des informations lorsquelle est alimente lectriquementLecture / critureMmoire volatile : contient des programmes et des donnes en cours dutilisationCapacit variable selon les ordinateurs > 512 Mo sur les PCs

Barrette de mmoireRAM

Mmoire vive : RAM

Mmoire morte : ROMROM (Read Only Memory)En lecture seuleMmoire permanenteContient les programmes de base au dmarrage de lordinateur (initialisation de lordinateur, initialisation de priphriques, lancement du systme dexploitation)

Les priphriquesLes priphriques de stockageLes priphriques dentreLes priphriques de sortieLes priphriques de communication

Mmoire centraleU.C.StockagePriphriques dentrePriphriques de sortieContrleursNiveau Matriel

Systme dexploitationMmoire centraleU.C.StockagePriphriques dentrePriphriques de sortieContrleursFichiers(Pilotes)Niveau Matriel + SE

U.C.StockagePriphriques dentrePriphriques de sortieContrleursFichiers(Pilotes)Niveau Matriel + SE + Programmes

Priphriques dentrePermettent denvoyer des informations lUnit Centrale

Priphriques de sortiePermettent denvoyer les rsultats lextrieur de lUnit Centralecranstaille (en pouce), rsolution...Imprimantesmatricielles, jet dencre, laserEnceintes

Les priphriques de stockage Disquette (1,44 Mo)Disquette zip (100 et 250 Mo)CD-ROM (650 Mo et 800 Mo)DVD (4,7 17 Go)Disque dur > 120 GoAttention : diffrence entre support, lecteur et graveurDiffrence entre RAM et supports de stockage

Les priphriques de stockageCapacit en Go actuellementPlusieurs ttes de lectures

Les BUSPermettent le transfert des donnes entre les composants de lordinateurDiffrentes technologies plus ou moins grande capacit de transfert

Systme dexploitation (SE)

Fournit linterface usager/machine:Masque les dtails du matriel aux applicationsLe SE doit donc traiter ces dtailsContrle lexcution des applicationsLe fait en reprenant priodiquement le contrle de lUCT Dit lUCT quand excuter tel programmeIl doit optimiser lutilisation des ressources pour maximiser la performance du systme

Quelques mots sur les systmes dexploitationDfinition Un systme d'exploitation (SE; en anglais: OS = operating system) est un ensemble de programmes de gestion du systme qui permet de grer les lments fondamentaux de l'ordinateur: Le matriel - les logiciels - la mmoire - les donnes les rseaux.

Fonctions dun systme dexploitationGestion de la mmoireGestion des systmes de fichiersGestion des processusMcanismes de synchronisationGestion des priphriquesGestion du rseauGestion de la scurit.

Vue abstraite dun SE

Ressources et leur gestionRessources: physiques: mmoire, units E/S, UCT...Logiques = virtuelles: fichiers et bases de donnes partags, canaux de communication logiques, virtuels...les ressources logiques sont bties par le logiciel sur les ressources physiquesAllocation de ressources: gestion de ressources, leur affectation aux usagers qui les demandent, suivant certains critres

Pourquoi tudier les SE?Logiciel trs important tout programme sexcute sur un SEInterface usager-ordinateurLes SE utilisent beaucoup dalgorithmes et structures de donnes intressantsLes techniques utilises dans les SE sont aussi utilises dans nombreuses autres applications informatiquesil faut les connatre

Dveloppement de la thorie des SELa thorie des SE a t dveloppe surtout dans les annes 1960 (!!)A cette poque, il y avait des machines trs peu puissantes avec lesquelles on cherchait faire des applications comparables celles daujourdhuiCes machines devaient parfois desservir des dizaines dusagers!Dont le besoin de dvelopper des principes pour optimiser lutilisation dun ordinateur. Principes qui sont encore utiliss

volution historique des SELe dbut: routines dE/S, amorage systmeSystmes par lots simplesSystmes par lots multiprogrammsSystmes partage de tempsOrdinateurs personnelsSE en rseauSE rpartisLes fonctionnalits des systmes simples se retrouvent dans les systmes complexes.Les problmes et solutions qui sont utiliss dans les systmes simples se retrouvent souvent dans les systmes complexes.

Systmes de traitement par lots (batch) simplesSont les premiers SE (mi-50)Lusager soumet un job (ex: sur cartes perfores) un oprateurLoprateur place un lot de plusieurs jobs sur le dispositif de lectureUn programme, le moniteur, gre l'excution de chaque programme du lotLe moniteur est toujours en mmoire et prt tre excut Les utilitaires du moniteur sont chargs au besoinUn seul programme la fois en mmoire, et les programmes sont excuts en squenceLa sortie est normalement sur un fichier, imprimante, ruban magntique

Un ordinateur principal (mainframe) du milieu des annes 60lecteur de cartesrubansdisquesUCT (mmoire probablem. autour de 500K)console oprateur

Cartes perforesUne ligne de donnes ou de programme tait code dans des trous qui pouvaient tre lus par la machine

Oprateur lisant un paquet de cartes perfores

Langage de contrle des travaux (JCL)Utilis pour contrler lexec dune joble compilateur utiliserindiquer o sont les donnesExemple dune job: ------->>$JOB initialise la machine$FTN charge le compilateur et initie son excution$LOAD charge le pgm objet ( la place du compilateur)$RUN transfert le contrle au programme usagerles donnes sont lues par le moniteur et passes au progr. usager$JOB$FTN...ProgrammeFORTRAN ...$LOAD$RUN...Donnes...$END$JOB... (job suiv.)

Les systmes par lotsOnt t les premiers systmes d`exploitation. Ils sont associs aux concepts suivants:langage de contrle de travauxsystme dexploitation rsident en mmoire (kernel = noyau)protection de mmoireinstructions privilgiesmodes usager-moniteurinterruptionsminuterieToutes ces caractristiques se retrouvent dans les systmes daujourdhui

Traitement par lots multiprogrammLes oprations E/S sont extrmement lentes (compar aux autres instructions)Mme avec peu dE/S, un programme passe la majorit de son temps attendreDonc: pauvre utilisation de lUCT lorsquun seul pgm usager se trouve en mmoire

Traitement par lots multiprogrammSi la mmoire peut contenir plusieurs pgms, lUCT peut excuter un autre pgm lorsquun pgm attend aprs E/SCest de la multiprogrammation

Plusieurs programmes en mmoire pour la multiprogrammation

Exigences pour multiprogrammationInterruptionsafin de pouvoir excuter dautres jobs lorsquun job attend aprs E/SGestion du matrielplusieurs jobs prts tre excutes demandent des ressources:UCT, mmoire, units E/SProtection de la mmoire: isole les jobs

Spoule ou spooling

Au lieu dexcuter les travaux au fur et mesure quils sont lus, les stocker lavance sur une mmoire secondaire (disque)

Puis choisir quels programmes excuter et quand

La mmoire secondaire contenait aussi les donnes dE/S

quilibre de travauxSil y a un bon nombre de travaux excuter, on peut chercher obtenir un quilibreTravaux qui utilisent peu l`UCT, beaucoup lE/S, sont appels tributaires de l`E/SNous parlons aussi de travaux tributaires de lUCTLe temps dUCT non utilis par des travaux trib. de lE/S peut tre utilis par des travaux trib. de lUCT et vice-versa.Lobtention d`un tel quilibre est le but des ordonnanceurs long terme et moyen terme ( discuter).Dans les systmes de multiprog. on a souvent coexistence de travaux longs et pas urgents avec travaux courts et urgentsLe SE donne priorit aux deuximes et excute les premiers quand il y a du temps de machine disponible.

Systmes temps partag (TSS)ordinateur principal (mainframe)

Terminaux stupides

Chaque terminal a sa propre partition de mmoire

Systmes temps partag (TSS)Le traitement par lots multiprogramm ne supporte pas linteraction avec les usagersexcellente utilisation des ressources mais frustration des usagers!TSS permet la multiprogrammation de desservir plusieurs usagers simultanment

Le temps dUCT est partag par plusieurs usagers

Les usagers accdent simultanment et interactivement au systme laide de terminaux

Systmes temps partag (TSS)Le temps de rponse humain est lent: supposons quun usager ncessite, en moyenne, 2 sec du processeur par minute dutilisationEnviron 30 usagers peuvent donc utiliser le systme sans dlais notable du temps de raction de lordinateurLes fonctionnalits du SE dont on a besoin sont les mmes que pour les systmes par lots, plus la communication avec usagersle concept de mmoire virtuelle pour faciliter la gestion de mmoiretraitement central des donnes des usagers (partages ou non)

MULTICS et UNIXMULTICS a t un systme TSS des annes 60, trs sophistiqu pour son poqueNe russit pas cause de la faiblesse du matriel de son tempsQuelques unes de ses ides furent reprises dans le systme UNIX

Ordinateurs Personnels (PCs)Au dbut, les PCs taient aussi simples que les premiers ordinateursLe besoin de grer plusieurs applications en mme temps conduit redcouvrir la multiprogrammationLe concept de PC isol volue maintenant vers le concept dordinateur de rseau (network computer), donc extension des principes des TSS.

Aujourdhuiordinateur principal (mainframe ou serveur)

Terminaux intelligents (PCs)

Retour aux concepts de TSSPlusieurs PC (clients) peuvent tre desservis par un ordinateur plus puissant (serveur) pour des services qui sont trop complexes pour eux (clients/serveurs, bases de donnes, etc)Les grands serveurs utilisent beaucoup des concepts dvelopps pour les systmes TSS

Et puisSystmes dexploitation rpartis:

Le SE excute travers un ensemble de machines qui sont relies par un rseau

Pas discuts dans ce cours

Systmes paralllesLe petit cot des puces rend possible leur composition dans systmes multiprocesseursLes ordinateurs partagent mmoire, horloge, etc.Avantages:plus de travail fait (throughput)plus fiable:dgradation harmonieuse (graceful degradation)

Systmes distribus ( = rpartis)Les rseaux dordinateurs sont en pleine mergence...Systmes multiprocesseurs faiblement couplsconsistent dordinateurs autonomes, qui communiquent travers lignes de communication

Systmes distribus ( = rpartis)SE rpartisil y a un SE qui fonctionne entre ordinateurslusager voit les ressources loignes comme si elles taient locales SE en rseau (network operating systems) fournissent:partage de fichiers (systmes client-serveur)patrons de communication (protocoles)autonomie des ordinateurs

Systmes temps relDoivent ragir ou contrler des vnements externes (p.ex. contrler une fuse). Les dlais de raction doivent tre bornssystmes temps rel souples:les chances sont importantes, mais ne sont pas critiques (p.ex. systmes tlphoniques)systmes temps rel rigides (hard):le chances sont critiques (p.ex. contrle dune chane d`assemblage)

Rappel sur le droulement des CM/TD (6h CM et 18h TD)Contrle continu : 1 contrle en fin de session pendant les heures de habituelles de TD - semaine du 23 avril40 mn TD (sur machine) + 15mn CM (QCM)Inciter aller au cours du vendredi (8h30, 13h30 et 15h30)Voir avec les chargs de TDPermanences MHS Permanences CP (Resp)Libre-service (Rez de chausse Bt. K)

QuestionnaireQui a fait de l'informatiqueQui possde un ordinateurQui a un accs Internet=> Site Web du cours

On retrouve les diffrents lments regroups en deux catgories- lunit centrale- les prriphriquesUC : partie centrale de lordinateur - assure les traitements - cest llment constitutif minimum dun ordinateurPriphriques : tout ce qui se rajoute lUC - 3 catgories- entre- sortie- stockageOrdinateur reli dautres ordinateurs par un rseau informatique dont le plus connu est Internet - De faon technique : modem, carte ethernet, cble direct

Tous ces lments doivent fonctionner ensemble : un pgm particulier le SELhorloge : cadence le droulement des instructions traiter+ elle est rapide (500 Mhz) + le traitement est rapide