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Chapitre 1 Historique et évolution des ordinateurs

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Chapitre 1

Historique et évolution des ordinateurs

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Repères historiques Les premiers registres - Abaque: première tablette à calculer en

Mésopotamie - Boulier: vers 3500 av. J.C en ChinePas d’amélioration jusqu’au 17ème siècle.• 1614: John Napier (Écosse) découvre les

logarithmes: multiplications et la division transformées en une successions d’additions.

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• 1620: mise en œuvre de cette invention au moyen de la règle à calcul.

Les machines à calculer1623: machine de Schickard (Allemagne):

fonctionnement mécanique basé sur le principe de tiges proportionnelles aux log. des nombres impliqués dans ces opérations.

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• 1643: Pascaline de Pascal (France): fonctionnement mécanique à système de roues à ergot. Additions + soustractions et faisait aussi des reports.

• 1673: amélioration de la Pascaline par Leibniz (Allemagne). Effectue les quatre opérations de base + extraction de racines carrées. Non construite faute de moyens financiers.

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Machines à cartes perforées• 1801: industrie de textile (France) Jacquard

et Falcon• 1887: Hollerith (USA) machine à lire des

cartes (CENSUS MACHINE) utilisée dans le recensement aux USA.

Ordinateur primitif1830: Charles Babbage – machine à

différences- utilise les principes de report de la Pascaline combinés avec les cartes perforées de Jacquard.

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• 1834: Charles Babbage- machine analytique- système de numérotation décimal; accepte des nombres de 50 chiffres et en résultat, un nombre de 100 chiffres (imprimé, cartes perforées, courbe) - projet non finalisé.

Cette machine réunissait déjà des fonctions automatiques essentielles: mémoire- dispositifs de calcul - fonction de commande et d’entrée-sortie

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La machine analytique de C. Babbage

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• 1930: L'Enigma et les Bombes Composée d'un clavier, de 26 lampes pour représenter l'alphabet et généralement de 3 rotors, l‘Enigma était destinée à l'origine à crypter des documents d'affaires.

• 1939 ABC par J. ATANASHOFF et Clifford BERRY. Ce calculateur a été le premier à utiliser le système binaire et était capable de résoudre des équations à 29 variables.

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1941 Z3 par K. ZUSE. Composé de 2600 relais, d'un lecteur de

bandes et d'une console pour l'opérateur, sa mémoire pouvait contenir 64 nombres de 22 chiffres exprimés en virgule flottante. Il réalisait une multiplication en trois à cinq secondes.

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1943 ASCC ou Harvard MARK 1 par H. AIKEN. Cette machine, construite en collaboration avec IBM, utilise un principe inspiré par les travaux de C. BABBAGE. Composée de 765 299 éléments, elle pesait 5 tonnes et avait besoin de plusieurs tonnes de glace par jour pour la refroidir. Ses performances et sa fiabilité étaient remarquables mais elle ne pouvait effectuer aucun saut conditionnel.

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1943 Colossus I Composé de 1 500 lampes et d'un lecteur de bandes capable de lire 5000 caractères à la seconde. Ce calculateur électronique anglais a été conçu pour décoder les messages chiffrés par la machine de Lorentz allemande qui était un téléscripteur doté de rotors (utilisant un principe assez proche de l‘Enigma).

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1946 ENIAC, par J. ECKERT et J. MAUCHLY

(Electronic Numerical Integrator and Computer) Commandé par l'armée des États-Unis en 1943 pour effectuer les calculs de balistique, il remplaçait 200 personnes chargées auparavant de calculer les tables de tir. Il occupait 23 m³, pesait 30 tonnes, coûtait un million de dollars.

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La machine ENIAC pesait 30 tonnes

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La machine ENIAC est disposée en U de 6 mètres de largeur par 12 mètres de longueur.

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1948: IBM SSEC, par Wallace Eckert (Selective Sequence Electronic Calculator) Ce calculateur composé de 20 000 relais et de 12 500 tubes a servi pour le calcul de tables de positions de la lune, mais a surtout été une vitrine technologique (il était d'ailleurs visible par le public) pour IBM.

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1948: Manchester Mark 1 (ou Ferranti Mark I) Bâtie sur des plans de J. NEUMANN par une équipe anglaise. Ce prototype est le premier à disposer d'une unité de commande interne et à suivre un programme enregistré. C'est sur cette machine de 1300 tubes qu'est utilisée pour la première fois la mémoire à tubes Williams.

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1949: EDSAC, par Maurice WILKES (Electronic Delay Storage Automatic Computer) Cet ordinateur numérique et électronique est basé sur l'architecture de J. NEUMANN. Composé de 3000 tubes et consommant 30KW, il utilise une mémoire de type "lignes de retard à mercure". Il s'agit d'une machine parfaitement opérationnelle qui a été construite dans un laboratoire de l'Université de Cambridge en Angleterre.

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1951: Whirlwind Premier ordinateur "temps réel "

1955: Premier calculateur transistorisé: TRADIC

1960: PDP-1 (Programmed Data Processor) C'est le précurseur des "minis". Vendu pour $125 000 (une fraction du coût d'un ordinateur de l'époque) et livré sans logiciels, il était plutôt ciblé pour les scientifiques et les ingénieurs.

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1959: IBM 1401: Utilisant des transistors et des mémoire à tores de ferrite, fourni avec un générateur d'applications (RPG) destiné à en faciliter l'utilisation, cet ordinateur a marqué une étape dans l'ère de la comptabilité. L'imprimante (1403) associée était d'une rapidité exceptionnelle (600 lignes par minutes !). IBM avait tablé sur un millier de ventes... plus de 12 000 exemplaires seront vendus

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1964: IBM System/360: Alors que tous ses ordinateurs utilisaient des architectures et logiciels incompatibles entre eux, IBM décida d'investir plusieurs millions de dollars et de développer une gamme entièrement nouvelle : 6 ordinateurs et 44 périphériques, ayant des capacités différentes mais tous compatibles entre eux. La technologie utilisée, loin d'être innovante, était transistors et mémoire à tores.

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1965: Premier mini-ordinateur diffusé massivement: PDP-8 de DEC

1973: Micral-N de R2E

C'est le premier micro-ordinateur du monde, il a été inventé par A. TRUONG, fondateur de R2E: une petite société française

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1973: l'Alto (renommé Xerox Star en 1981) de XEROX Ce prototype, pensé pour devenir le

bureau du futur, est un condensé des idées proposées par les chercheurs réunis par XEROX au Palo-Alto Research Center (PARC). Il est le premier à introduire l'idée de fenêtres et d'icônes que l'on peut gérer grâce à une souris. Principalement, en raison de son coût, cet ordinateur ne connaîtra qu'un succès d'estime.

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1975: Altair 8800 de ED. ROBERTS (MITS) Il est considéré par les Américains comme

le premier micro-ordinateur du monde, bien que ce soit le Micral-N. Cependant, c'est pour l'Altair que sera le premier BASIC Microsoft.

1976: CRAY I: Créé par Saymour CRAY, c'est le premier ordinateur à architecture vectorielle.

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1978: DEC VAX 11/780 (Virtual Address eXtension) Premier modèle de "supermini", cet ordinateur 32 bits pouvait exécuter des programmes écrits pour le PDP-11. Il avait aussi suffisamment de ressources pour supporter des applications qui étaient jusqu'ici réservées aux gros mainframes. Il reste aussi célèbre pour son système d'exploitation VMS

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1982: Cray X-MP Composé de deux Cray I mis en parallèle, il est 3 fois plus puissant que celui-ci.

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  1981: IBM-PC (Personnal Computer) Cet ordinateur, qui n'apporte aucune idée révolutionnaire, est la réaction du n°1 mondial face à la micro-informatique : Il était fait d'une accumulation de composants standards et de logiciels sous-traités (principalement auprès de Microsoft) dans le but de minimiser le temps nécessaire pour sa mise au point.

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  1983: Lisa d'APPLE

Steve JOBS, très intéressé par l'Alto reprendra la plupart des idées de celui-ci pour le compte d'APPLE, en particulier la notion d'interface graphique (GUI) et l'utilisation de la souris. Cependant, ce micro-ordinateur ne connaîtra pas non plus de succès commercial.

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1984: Amiga Utilisant un microprocesseur Motorola 680x0, ce micro-ordinateur reste parmi les leaders pour ce qui est du graphisme et de la musique.

1984: Macintosh d'APPLE. Basé sur le projet LISA, c'est l'ordinateur convivial par excellence: Son utilisation est très simple grâce à la souris et à la qualité de ses graphismes. Il devient au fil des années, et des différentes versions, l'autre grand standard (avec le PC d'IBM) du monde de la micro-informatique.

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1985: Cray II : Miniaturisé, il est 10 fois plus puissant que son prédécesseur, le Cray I.

1986: The Connection Machine Premier ordinateur "massivement parallèle" composé de 16 000 processeurs.

1994: Paragon d'Intel. Coûtant 20 Millions de dollars, occupant un volume de 48m3, il est composé de 2000 processeurs et de 64 Giga-octets de mémoire. Il peut effectuer

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150 milliards d'opérations en virgule flottante par seconde

1994: PowerMac d'APPLE

Basé sur le microprocesseur POWER-PC réalisé par Motorola en collaboration avec IBM, il était présenté comme le successeur commun du PC et du MAC. Cependant, malgré de très bonnes performances, il tarde à s'imposer.

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1998: iMac d'APPLE L'iMac était l'ordinateur d'Apple pour le nouveau millénaire. Il a également marqué le retour d'Apple (et de MacOS) au devant de la scène. C'est l'ordinateur le plus original depuis le premier Mac de 1984: Design très particulier, écran et unité centrale intégrés dans un seul boîtier, ports USB et pas de

lecteur de disquette interne.

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Ordinateur et changements technologiques

• Première génération: Tubes électroniques (lampes à vide)

• Deuxième génération: transistors

• Troisième génération: circuits intégrés

• Quatrième génération: microprocesseurs.

• Cinquième génération: intelligence artificielle.

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Première génération1949-1957

• Ordinateur à cartes perforées et à bandes magnétiques

• Programmation physique en langage machine

• Appareils immenses, lourds, énergie élevée

• Utilisation de tubes à vide et à mémoires à tambour magnétique

• Prix élevé / capacité et performance.

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Deuxième génération1958 - 1964

• Utilisation de transistors et des mémoires à ferrite.

• Utilisation de mémoires de masse pour le stockage périphérique.

• Temps d’accès moyen (de l’ordre de la micro-seconde).

• Fonctionnement séquentiel des systèmes de programmation (langages évolués).

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Troisième génération1965-1971

• Miniaturisation des composants (circuits intégrés)

• Apparition des systèmes d’exploitation• Concepts de temps partagés• Machines polyvalentes et de capacité variée• Appareils modulaires et extensibles• Multitraitement (plusieurs programmes à la

fois)• Télétraitement (accès par téléphone)

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Quatrième génération1971-1982

• Miniaturisation extrêmes des composants

• Apparition des microprocesseurs

• Diversification des champs d’application

• Apparition de la micro-informatique

• L’aspect logiciel prend le pas sur l’aspect matériel

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Cinquième génération

• Miniaturisation des composants poussée à l’extrême

• Vitesse proche de celle de la lumière.• Nouvelle architecture physique• Possibilité de choix d’ordre des vecteurs

séquentiels à traiter• Vitesse de traitement augmentée jusqu’au

gigalips (Logical Inference: de 100 à 1000 instructions)

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• Processeurs en parallèle

• Nouvelles structures et représentations des données.

• Ajout du traitement de l’aspect sémantique à celui de l’aspect syntaxique de l’information

• Ordinateurs à photons

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Alternatives à cette classification

1- architectures et conception (PC compatibles vs. Apple)

2- super-ordinateurs: SIMD vs. MIMD

3- RISC vs. CISC

4- taille: super, gros, mini, station ou micro ordinateurs

5- …, etc.

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Évolution de la programmation• Ada Byron (1816-1852): première

programmatrice pour la machine de Babbage

• Adèle Goldstine: programme pour ENIAC en 1946.

• Les premiers programmes en Langage machine (0 et 1)

• Langage symboliques: assembleurs

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• Fortran (Formula Translator) vers 1950 par J. Backus.

• Apparurent aussi des langages spécialisés comme le GPSS (simulation) et APT (commande de machines à outils)

• Vers la fin de 1950:

- Algol: notion de blocs

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• Cobol: applications de gestion.• PL/1: dans le but de traiter plusieurs genres

d’applications (universels). Apparurent ensuite les langages Pascal, Modula, C, ...

• La micro-informatique a répandu le Basic• Langages fonctionnels (Lisp): utilisé dans

le traitement des expressions symboliques• Langages Logiques (Prolog): intelligence

artificielle; pouvoir d’inférence• Langages interrogatifs (bases de donnée)

tels SQL

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• D’autres types de langages sont apparus, tels ceux de description: le langage HTML (Hyper Text Markup Language: permet de décrire un document dans le but de le visionner dans un navigateur internet).

• Il existe aussi des langages permettant de piloter d’autres éléments tels les langages de script dans UNIX.

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Structure des ordinateursJohn Von Neumann est à l'origine (1946)

d'un modèle de machine universelle (non spécialisée) qui caractérise les machines possédant les éléments suivants :

• une mémoire contenant programme (instructions) et données,

• une unité arithmétique et logique (UAL ou ALU en anglais),

• une unité de commande (UC).

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• une unité permettant l'échange d'information avec les périphériques : l'unité d'entrée/sortie (E/S ou I/O),

( clavier, lecteur de cartes perforées, ruban, ...

écran, imprimante, cartes perforées, ....)

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Caractéristiques de la machine de J. Von Neumann

• Machine contrôlée par programme• Programme enregistré en mémoire• Instruction du programme codée sous forme

binaire• Le programme peut modifier ses

instructions• Exécution des instructions en séquence• Existence d’instructions de rupture de

séquence.

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Schéma de la machine de Von Neuman

UAL = unité arithmétique et logique

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Ces dispositifs permettent la mise en oeuvre des fonctions de base d'un ordinateur : le stockage de données, le traitement des données, le mouvement des données et le contrôle. Le fonctionnement schématique en est le suivant :

Unité de Commande 1. extrait une instruction de la mémoire, 2. analyse l'instruction, 3. recherche dans la mémoire les données concernées par

l'instruction, 4. déclenche l'opération adéquate sur l‘UAL ou l'E/S,

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5. range au besoin le résultat dans la mémoire.

! La majorité des machines actuelles s'appuient sur le modèle Von Neumann

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Quelques mots sur la mémoire• Carte perforée à 80 colonnes (IBM)

Ce système qui deviendra un standard est la généralisation de la carte perforée qui est à l'origine de la compagnie.

• Mémoires à tubes Williams Développée par F. C. Williams, ce type de

mémoire utilise les charges résiduelles laissées sur l'écran d'un tube cathodique après qu'il ait été frappé par le faisceau d'électron.

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Bande magnétique Mémoires vives à tores de ferrite Pendant une petite vingtaine d'année, ce

principe de mémoire sera le plus utilisé avant d'être remplacé par la mémoire à semi-conducteurs.

Tambour magnétique Disque magnétique

Aussi appelé disque dur, ce type de support deviendra incontournable lorsqu'il prendra sa forme actuelle en 1974: Le disque Winchester.

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Mémoires à semi-conducteurs Disques souplesMémoire magnétique à bulles (Intel) Mise au

point par Intel Magnetics , c'est une technologie qui offrait une très grande fiabilité même dans des conditions de fonctionnement extrêmes.

Disque Opto-Numérique (aussi appelé Compact Disc ou Disque Optique Compact)Disque de plastique de 12 cm de diamètre et 1,2 mm d'épaisseur lu par un faisceau laser

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où l'on peut stocker environ 75 minutes de musique. Son succès, outre son format, vient de l'exceptionnelle qualité de reproduction sonore, de sa faible fragilité ainsi que de son inusabilité pas de contact).

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CD-ROM (Sony et Philips) (Compact Disc Read Only Memory) - Cédérom en françaisVersion informatique du CD permettant de stocker à la fois du texte, des images, des sons... Sa capacité était exceptionnelle pour l'époque: 680 Mo.

R.N.I.S (Réseau Numérique à Intégration de Services) - Baptisé Numéris par France Télécom

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Réseau publique (comme le Réseau Téléphonique Commuté) où toutes les données (voix, images, données informatiques...) circulent en numérique  

DVD-ROM (Sony et Philips): Successeur annoncé du CD-ROM dont il reprend exactement le format physique. Sa capacité est par contre multipliée par 12 et passe à environ 8,5 Go.

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Les Clés USB

Il s'agit simplement d'une puce mémoire avec un connecteur USB. L'ensemble à la taille d'une clé (et peut d'ailleurs se mettre en porte-clé) ce qui a donné son nom. Les capacités actuelles dépassent celles d'un CD-ROM avec l'avantage d'être réinscriptible à volonté.

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Quelques mots sur les systèmes d’exploitation

Définition Un système d'exploitation (SE; en anglais: OS

= operating system) est un ensemble de programmes de gestion du système qui permet de gérer les éléments fondamentaux de l'ordinateur:

le matériel - les logiciels - la mémoire - les données – les réseaux.

 

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Fonctions d’un système d’exploitation

• Gestion de la mémoire

• Gestion des systèmes de fichiers

• Gestion des processus

• Mécanismes de synchronisation

• Gestion des périphériques

• Gestion du réseau

• Gestion de la sécurité.

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Un exempleSoit la commande suivante: emacs monfichier.txt Juste après avoir tapé le <Return> fatidique, le

système d'exploitation est mis à contribution. A savoir qu'il doit ;

1) aller chercher sur le disque dur un fichier qui s'appelle emacs et qui doit être impérativement un fichier d'instruction à exécuter (fichier exécutable ou "binaire").

2) aller chercher sur le disque dur un fichier qui s'appelle monfichier.txt et rattacher ledit fichier à l'exécutable emacs en tant que fichier de données.

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3) trouver une place en mémoire RAM pour y placer tout ou partie de emacs de telle manière qu'il soit effectivement exécutable et une place en RAM pour y placer tout ou partie du fichier monfichier.txt. Trouver une place en RAM pour y mettre une zone de communication avec emacs. Le SE et emacs doivent communiquer entre eux afin de s'informer (entre autres choses) du bon déroulement des opérations.

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4) Si les fichiers emacs et monfichier.txt sont trop gros pour la place disponible en RAM , le SE se charge de ne mettre en mémoire vive que la partie des fichiers effectivement utile à l'instant t pour le processeur. Dès qu'une autre partie du fichier devient utile la partie précédente est effacée de la RAM, et la zone "utile" est recopiée à sa place. Cette technique s'appelle le "swapping".

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Il existe actuellement plus de 193 systèmes d’exploitation dans 27 langues

Quelques  exemples• UNIX• VMS• MS-DOS • Win 9X = désigne les Windows 95-98-Me,

héritiers de MS-DOS et Win 3.1. Il n'a aura plus de nouvelles versions. Cette gamme est remplacée par Win XP home.

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• Windows NT est le système d’exploitation Microsoft conçu pour se passer de MS-DOS, tout en gardant une grande compatibilité avec les logiciels écrits pour MS-DOS, Win 3 et plus tard Win 9X (= Win 4.0).

• Windows 2000 est le nom commercial de Win NT 5.0, et Win XP celui de NT 5.1

• Pour ceux qui confondent : Win 2000, n'est pas le successeur technique de Win 98 :

• Win 98 a besoin de MS-DOS pour démarrer.• Win NT-2000-XP l'émule dans une machine

virtuelle. •  

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• les périphériques d'entrée-sortie (par exemple les cartes d'extension) varient d'un modèle d'ordinateur à un autre. Il faut donc un système qui puisse unifier l'écriture des instructions gérant le matériel. Ainsi, lorsqu'un programme désire afficher des informations à l'écran, il n'a pas besoin d'envoyer des informations spécifiques à la carte graphique (il faudrait que chaque programme prenne en compte la programmation de chaque carte...), il envoie les informations au système d'exploitation, qui se charge de les transmettre au périphérique concerné...

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• La communication avec le système d'exploitation s'établit par l'intermédiaire d'un langage de commandes et un interpréteur de commandes. Cela permet à l'utilisateur de piloter les périphériques en ignorant tout des caractéristiques du matériel qu'il utilise, de la gestion des adresses physiques...

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• Le systèmes multi-tâches Les système d'exploitation multi-tâches permettent de partager le temps du processeur pour plusieurs programmes, ainsi ceux-ci sembleront s'exécuter simultanément.

• Pour réaliser ce processus, les applications sont découpées en séquence d'instructions appelées tâches ou processus. Ces tâches seront tour à tour actives, en attente, suspendues ou détruites, suivant la priorité qui leur est associée.

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• Un système est dit préemptif lorsqu'il possède un Ordonnanceur (aussi appelé planificateur ou scheduler), qui répartit, selon des critères de priorité le temps machine entre les différentes tâches qui en font la demande.

• Le système est dit à temps partagé lorsqu'un quota de temps est alloué à chaque processus par l'ordonnanceur. Cela est notamment le cas des systèmes multi-utilisateurs qui permettent à plusieurs utilisateurs d'utiliser simultanément sur une même machine des applications similaires.

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Le système est alors dit "système transactionnel". Dans ce cas, le système alloue à chaque utilisateur une tranche de temps (quantum de temps).

• Systèmes multi-processeurs Ces systèmes sont nécessairement multi-tâches puisqu'on leur demande d'une part de pouvoir exécuter simultanément plusieurs applications, mais surtout d'organiser leur exécution sur les différents processeurs (qui peuvent être identiques ou non). Ces systèmes peuvent être soit architecturés autour d'un processeur central qui coordonne les autres

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processeurs, soit avec des processeurs indépendants qui possèdent chacun leur système d'exploitation, ce qui leur vaut de communiquer entre eux par l'intermédiaire de protocoles.

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• Les types de systèmes d'exploitation deux types de systèmes d'exploitation: les

systèmes 16 bits et les systèmes 32 bits. - DOS codage sur 16 bits mono-utilisateur - Windows 3.1 codage sur 16/32 bits multi-

tâche préemptif - Windows 95/98/Me 32 bits multi-tâches

préemptif - Windows NT/2000 32 bits  multi-tâches

préemptif- Unix 32 bits multi-tâches préemptif- VMS 32 bits muli-tâches préemptif

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Pour en savoir plus• Moreau, René (1982): ainsi naquit l’informatique,

les hommes, les matériels à l’origine des concepts de l’informatique d’aujourd’hui, deuxième édition, Dunod.

• Randell, Brian (1982): the origin of digital computers: selected papers; Springer Verlag

• Les ordinateurs de cinquième génération; MICRO-SYSTEMS, février 1983.

• Des photons dans l’ordinateurs, MICRO-SYSTEMS, décembre 1983

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• Machines pensantes, DIMENSIONS SYSTEMS, 1984-1985.

• Les calculateurs analogiques, MICRO-SYSTEMS, juillet-août 1986.

• Pour la science: spécial informatique du futur. No. 122, décembre 1987.

• Pour la science: L’informatique des années 90, No. Spécial 72.

• Pour la science: communication, ordinateurs et réseaux, numéro spécial, 1991.

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• R. Keyes: L’avenir du transistor; pour la science, août 1993.

• Une adresse de site utile

www.histoire-informatique.org/grandes_dates