Architecture Informatique

Objectifs

• Connaître les composants de l'informatique (hardware, software et l'ingéniérie des systèmes d'information) ;
• Connaître le vocabulaire des "informaticiens".

Pré-requis

Aucun

Auteurs

• © IGN 2016 - Clément Delgrange, Benoît Costes, Didier Richard - ValiLab (DRE)
• Wikipedia®
• © IGN 2019 - Amaury Zarzelli (Pôle Technique Géoportail) (DSTI) (Légères modifications, adaptation à Markdown)

Introduction

Ce cours est une introduction générale à l'informatique. Nous étudierons trois volets de l'informatique :

• le matériel (hardware - 1945);
• les logiciels (software - 1950) : regroupe l'ensemble des méthodes, techniques et outils pour transformer les besions des utilisateurs en application informatique;
• ingénierie des systèmes d'information (brainware - 1974) : regroupe l'ensemble des méthodes, techniques et outils utilisés pour le développement des spécifications.

Architecture matérielle

Historique

Les premières machines à calculer mécaniques ont été réalisées dans les années 1600. Elles permettaient d'exécuter des additions et soustraction, puis même des multiplications et divisions sans qu'un humain ait à intervenir pour résoudre le calcul.

Puis, les machines à calculer programmables font progressivement leur apparition à partir des années 1800. Elles utilisent des cartes perforées pour effectuer des calculs ou résoudre des équations de manière beaucoup plus rapide que les machines mécaniques. Ces machines à calculer évolueront en se dotant par exemple de clavier pour saisir les données.

Enfin, les premiers vrais ordinateurs apparaîtront au cours de la première moitié du 20ème siècle. Nous distinguerons quatre générations d'ordinateurs :

• 1945-1950 : à tubes à vide (ou lampes); capables de réaliser ~5000 opérations par seconde
• 1950-1955 : à tores de ferrite; ~40000 opérations par seconde
• 1956-1963 : à transistors; ~100000 opérations par seconde
• 1963-1971 : à circuits intégrés; ~1000000 opérations par seconde; période d'explosion de l'utilisation de l'informatique

La miniaturisation des composants (microprocesseurs, very large scale integration) prend le relai dans l'évolution des matériels, mais sans apporter de changements majeurs dans l'architecture des ordinateurs.

La loi de Moore (1965) stipule qu'à surface constante, le nombre de transistors que les industriels arriveront à intégrer dans un ordinateur doublera tous les deux ans. Cette augmentation est rendue possible par la diminution de la taille de gravage des transistor (~20nm de nos jours). En 2016, la loi de Moore semble avoir atteint ses limites et nous observons un ralentissement dans la croissance (les problèmes expliquant ce ralentissement sont : l'évacuation de la chaleur, la tension minimale atteinte, la fréquence maximale approchée).

La solution actuelle pour poursuivre l'amélioration des performances est de faire plus de processeur sur la même puce (bi-coeurs, quadri-coeurs...). Mais cela nécessite de revoir la manière de programmer pour utiliser efficacement ces différents coeurs.

Information minimale dans un ordinateur

De nombreux moyens techniques permettent de coder une information. La polarisation magnétique, la charge électrique servent au stockage, le courant ou la tension électrique, l'intensité lumineuse sont couramment utilisés pour la transmission d'information. L'information passe ou ne passe pas (2 états). L'essentiel est de distinguer avec une très bonne fiabilité les deux états de manière à limiter les erreurs : un interrupteur peut être soit ouvert, soit fermé pour coder 0 ou 1 ; l'autre état code l'autre valeur. Il en va de même pour la tension ou le courant électrique, la polarisation magnétique, la lumière allumée ou éteinte.

La correspondance entre chacun des deux états et une valeur élémentaire d'information.

Le bit est l'unité la plus simple dans un système de numération, ne pouvant prendre que deux valeurs, désignées le plus souvent par les chiffres 0 et 1. Un bit ou élément binaire peut représenter aussi bien une alternative logique, exprimée par faux et vrai, qu'un chiffre du système binaire.

Le mot « bit » est la contraction des mots anglais binary digit, qui signifient « chiffre binaire », avec un jeu de mot sur bit, « petit morceau ».

Dans la théorie de l'information, un bit est la quantité minimale d'information transmise par un message, et constitue à ce titre l'unité de mesure de base de l'information en informatique.

Les systèmes numériques traitent exclusivement des informations réduites en bits, en général associés dans des groupes de taille fixe appelés byte ou octet (8 bits).

Performance des systèmes informatiques

Pour mesurer la vitesse des ordinateurs, nous retiendrons deux indicateurs :

• le nombre d'opérations par seconde, mesurée généralement en millions d'instructions par seconde (MIPS);
• le nombre d'opérations en virgule flottante par seconde (FLOPS) qui inclut les opérations sur des nombres réels plus lentes que les opérations sur les entiers.

En 2016, un ordinateur personnel peut développer une puissance d'environ 200 GigaFLOPS avec un microprocesseur Intel Core i7-3770 (2 milliards de transistors dans le circuit intégré) et 5000 GigaFLOPS avec un processeur graphique Nvidia GTX690.

En 2013, le supercalculateur le plus puissant, Tianhe-2, affiche une puissance de 33,86 PetaFLOPS (10¹⁵)... dépassé aujourd'hui (2016) par le réseau de minage permettant la génération de la crypto-monnaie Bitcoin qui totalise une puissance d'environ 18 000 exaFLOPS (10¹⁸) !

Nous prendrons ici le temps de comparer les performances de deux ordinateurs de 1971 et 2010 pour constater que la puissance d'un ordinateur ne dépend pas que de sa fréquence :

• 1971 : processeur Intel 4004
  • 2300 transistors dans un unique circuit intégré
  • fréquence de 740 kHz
  • 0,092 MIPS
• 2011 : Intel Core i7 2600K
  • 1,4 milliards de transistors
  • fréquence de 3,4 GHz
  • 4 coeurs, 8 threads
  • 128300 MIPS

Entre le 4004 et le Core i7 2600K, la fréquence a été multipliée par 4600 et la puissance MIPS par 1,4 million.

Architecture d'un ordinateur

Un ordinateur est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données. Il est constitué de différents composants matériels (notion de périphérique) articulés autour d'une carte mère. Cette carte mère est classiquement décomposée en une unité de traitement, effectuant les opérations, et une unité de contrôle, chargée du séquencement des opérations.

• 1 : Processeur, « cerveau » de l'ordinateur, c'est lui qui lit, décode, et exécute les instructions envoyées par la RAM
• 2 : RAM. Mémoire vive de l'ordinateur la RAM permet à l'ordinateur de récupérer des informations inscrites dans ces barrettes plus rapidement que si elles étaient inscrite dans le disque dur. La mémoire enregistrée dans ces barrettes est effacée et modifiée très fréquemment et à chaque fois que l'on éteint l'ordinateur
• 3 : Chipset: Permet de gérer les flux de données entre la mémoire, les différents périphériques et le processeur
• 4 : Ports PCI (ou bus PCI): Permet d'ajouter des composants à l'ordinateur comme des cartes de son ou autre.
• 5 : Support de la carte graphique
• 6: Bus transmettant les informations stockées dans le disque dur ou le DVD quand ceux-ci sont branchés
• 7 : Bus externes (USB, imprimante, etc.)
• 8 : Pile : Petite batterie permettant à l'ordinateur d'effectuer des fonctions minimes lorsqu'il est hors-tension (horloge par exemple). Permet de garder en mémoire les réglages du BIOS.
• 9 : Prise d'alimentation de la carte mère (le fil jaune et noir correspond aussi à une alimentation): Permet d'alimenter la carte mère quand branché.
• 10 : Bios : Permet d'effectuer les fonctions basiques lors du démarrage de l'ordinateur.

Nous distinguons les périphériques inclus à l'unité centrale de l'ordinateur, qui sont dits internes, de ceux externes. Les composants internes sont par exemple : de la mémoire vive (RAM), un disque dur, une carte graphique, un lecteur DVD, des ports d'entrées/sorties. Ils sont reliés à la carte mère par des bus informatiques. Les composants externes peuvent être une imprimante, une clés USB, etc. et sont connectés à la carte mère via un ports d'entrées/sorties.

• 1 : Disque dur
• 2 : Lecteur CD / graveur
• 3 : Alimentation

La mémoire, qui contient les données et les programmes (listes des opérations que l'unité de contrôle doit exécuter), peut être de deux types différents :

• la mémoire centrale, aussi dite mémoire vive et noté RAM (Random Access Memory);
• et la mémoire morte, noté ROM (Read Only Memory).

La mémoire centrale est rapide d'accès mais volatile. Son contenu est perdu lorsque l'ordinateur cesse d'être alimenté en électricité. De ce fait, elle est destinée au transit des données en cours de traitement mais n'est pas adaptée à leur sauvegarde.

A l'inverse, la mémoire morte est plus lente d'accès, mais ne s'efface jamais et permet de conserver les données sur le long terme. Elle est réalisée sur des supports physiques (disque dur, CD, etc.).

L'adresse mémoire permet d'identifier de manière unique un emplacement dans la mémoire de l'ordinateur. Il faut ici voir la mémoire de l'ordinateur comme un meuble constitué d'innombrables casiers, chaque casier étant étiquetté avec un numéro permettant de le retrouver à coup sur.

Stockage

Le stockage d'information est aujourd'hui assuré par un support d'information électronique donc matériel. Ainsi, le terme de dématérialisation employé pour désigner le passage d'un support d'information papier à un support électronique est peu approprié, puisque ce dernier est lui aussi matériel.

Le choix de la méthode de stockage se fait selon plusieurs critères :

• la fréquence d'utilisation (de continu à rarement) ;
• les besoins capacitaires de l'information ; c'est la taille ;
• la criticité de l'information :
  • coût en cas de perte ;
  • sécurité (confidentialité).

L'évolution des techniques de stockage est rapide, et tend vers plus de capacité, plus de vitesse, plus de fiabilité, tout en étant moins cher à capacité équivalente. Les types de média sont variés et changent souvent.

Nous pouvons disposer aujourd'hui de différents médias de stockage d'information :

• cartes mémoire ;
• clefs USB ;
• cédéroms, dévédéroms ;
• disques ;
• bandes magnétiques.

Stockage de masse

L'objectif est de stocker une grande quantité d'information à long terme. Nous pouvons distinguer plusieurs générations :

• Première génération : les supports physiques, avec la carte perforée et le ruban perforé. Ces supports sont obsolètes depuis la fin des années 1990 ;
• Deuxième génération : les supports magnétiques, comme la bande magnétique, sa petite soeur la cassette, le disque dur, la disquette. Les bandes magnétiques ne sont plus utilisées que pour la sauvegarde ou l'archivage des données (ex. LTO). Elles restent néanmoins un support privilégié de sauvegarde et d'archivage des données en raison de leur très grande capacité et de leur caractère amovible qui permettent de les délocaliser aisément. Les disquettes voient leur production s'arrêter en 2010.
• Troisième génération : les supports optiques, tels que le disque compact (CD, CD-R ou CD-RW), le DVD (DVD-Rom ou DVD-RW) ou le Blu-ray.
• Quatrième génération : les clés USB, cartes SD et cartes microSD.

Parallèlement, des mémoires plus chères mais très rapides ont été implantées sur des puces pour faciliter le traitement des informations en interne dans les ordinateurs :

• la RAM (Random Access Memory), qui est perdue dès que l'ordinateur cesse d'être alimenté en électricité ;
• la ROM (Read-Only Memory), qui est gravée et ne s'efface jamais (ex: NVRAM) ;
• l'EPROM et l'EEPROM (mémoire morte réinscriptible), qui ont évolué en mémoire flash, donnant naissance aux récentes clés USB, concurrentes directes des anciennes disquettes.

Le stockage d'information n'a cessé d'évoluer au cours du temps et de l'histoire des innovations technologiques, de l'invention de l'imprimerie, des microfiches, puis des mémoires électroniques et des supports de plus en plus miniaturisés : on constate un accroissement toujours plus important de la densité d'information, en nombre croissant sur des supports de plus en plus réduits.

Du fait de leur constitution physique, tous les supports de stockage ont une durée de vie limitée, entraînant un risque de perte d'information. Pour s'en affranchir, il faut constamment les vérifier et recopier les données pour les sauvegarder sur des supports fiables. La redondance de l'information reste ainsi le seul rempart face au manque de fiabilité des supports (RAID pour la duplication en continue).

Pour ce qui est de la confidentialité, la cryptographie propose des solutions de chiffrement, qui reposent sur différentes méthodes :

• la cryptographie à clef publique ;
• la cryptographie à clef secrète.

Les nouvelles technologies de stockage en mode cloud computing (informatique en nuage) posent également des problèmes de confidentialité en raison des architectures mutualisées utilisées.

Suivant la nature des informations stockées et la nature du media utilisé, le temps d'accès et le débit peuvent être très différents. La performance du média de stockage en tant que matériel (disque dur, disque optique, disque SSD, etc.), l'organisation des disques (type de RAID, baies de disques, etc.), et les solutions logicielles permettant d'accéder aux données proprement dites (compression de données, déduplication, hiérarchisation, allocation fine et dynamique, etc.). Il faut distinguer les problématiques du stockage des serveurs d'entreprise par rapport à celles du stockage des ordinateurs personnels, mais dans les deux cas le défi est d'obtenir les meilleures performances possibles tout en optimisant les coûts associés.

Préfixes binaires

Les préfixes binaires sont souvent utilisés lorsqu’on a affaire à de grandes quantités d’octets. Ils sont dérivés, tout en étant différents, des préfixes du système international d'unités (kilo-, méga-, giga- et ainsi de suite).

Du fait que les capacités de mémoires d’ordinateurs sont des puissances de deux ou des multiples de telles puissances, l’utilisation de puissances de 1 024 = 2¹⁰ comme préfixes pour de telles capacités et, de façon dérivée, pour toutes les tailles de programmes et de supports informatiques, est venue naturellement aux informaticiens. Le problème est que les premiers informaticiens n’ont pas éprouvé le besoin d’inventer de nouveaux préfixes ; ils ont simplement utilisé les préfixes SI en changeant légèrement leurs valeurs (par exemple kilo -> 1 024 au lieu de 1 000). L’habitude en est ensuite restée.

Nom	Symbole CEI	facteur=210 * a)	Nom	Symbole SI	facteur=103 * a)	Erreur (%)
kibi	Ki	210 * 1=1024	kilo	k	103 * 1=1000	2
mébi	Mi	210 * 2=1 048 576	méga	M	103 * 2=1 000 000	5
gibi	Gi	210 * 3=1 073 741 824	giga	G	103 * 3=1 000 000 000	7
tébi	Ti	210 * 4=1 099 511 627 776	téra	T	103 * 4=1 000 000 000 000	10
pébi	Pi	210 * 5=1 125 899 906 842 624	péta	P	103 * 5=1 000 000 000 000 000	13
exbi	Ei	210 * 6=1 152 921 504 606 846 976	exa	E	103 * 6=1 000 000 000 000 000 000	15
zébi	Zi	210 * 7=1 180 591 620 717 411 303 424	zetta	Z	103 * 7=1 000 000 000 000 000 000 000	18
yobi	Yi	210 * 8=1 208 925 819 614 629 174 706 176	yotta	Y	103 * 8=1 000 000 000 000 000 000 000 000	21

Ordre de grandeur des capacités

Nous utilisons les unités SI pour décrire les capacités connues en 2016...

Type de média	Capacité maximale	Vitesse de Transfert (Mo/s)	Prix (€/Go)
Bande magnétique	≤ 6,25 To	160 (max)	0,0002
CD	650 Mo	0,7 (moy)	40,0000
DVD	4,7 Go	1,4 (moy)	5,0000
USB	≤ 1 To	240 (max)	0,5700
Disque dur	≤ 10 To	600 (max)	0,0540
SSD	≤ 1 To	540 (moy)	0,3000

La vitesse de transfert peut fortement varier en fonction du type de technologie pour le contrôleur de disque (USB 1.0 à 3.0, Firewire, Fiber Channel, etc.).

En 2016, un ordinateur standard possède un disque dur entre 500 Go et 1 To et une mémoire vive (RAM) d'au moins 4 Go. Les ordinateurs mixtes (tablettes + clavier) possèdent eux un SSD entre 32 Go et 64 Go en général avec une RAM à 2Go.

Écran

Un écran d'ordinateur est un périphérique de sortie vidéo d'ordinateur. Il affiche les images générées par la carte graphique de l'ordinateur. Un écran tactile est aussi un périphérique d'entrée : l'utilisateur peut choisir une action en touchant la partie correspondante de l'écran.

Écran cathodique

Les écrans à tube cathodique sont analogiques. Ils ont un angle de vision large et un rendu des couleurs fidèle mais ils sont lourds, volumineux et grands consommateurs d'énergie.

Ils consomment deux à trois fois plus de courant qu’un écran LCD. Leur durée de vie moyenne est d'environ 25 000 heures soit 13,7 ans si l’écran reste allumé 5 heures par jour.

Les écrans cathodiques sont toujours utilisés en mode paysage, mis à part quelques exceptions (Xerox, Apple).

Écran plat numérique

Trois grands types d'écran ont été fabriqués :

• Les écrans ACL Écran à cristaux liquides ou LCD (Liquid Crystal Display) en anglais, sont légers et plus simples à industrialiser mais souffrent de certaines limites, notamment dans le rendu des couleurs, voire d'une rémanence affectant l'affichage de vidéo changeant très rapidement comme les jeux ;
• Les DLP (Digital Light Processing) font usage de millions de micro-miroirs ;
• Les écrans à plasma, offrent un rendu fidèle, mais sont coûteux et ont une durée de vie limitée. Cette technologie est progressivement abandonnée ...

Les écrans plats sont de plus en plus utilisés. Ils affichent environ 266 000 couleurs, étendues par tramage (dithering) à environ 17 millions.

En général, les deux premiers chiffres du numéro de modèle d'un écran plat indiquent la diagonale en pouces.

Ces écrans ont pour avantage un encombrement réduit. Le temps de latence de plus en plus faible (pour certains modèles, en dessous de 2 ms) permet d’utiliser des jeux d’action, tels que les jeux de tir à la première personne, sans avoir à subir des traînées d’affichage lors de mouvements rapides. Ces traînées étaient un frein à leur utilisation dans le grand public.

De par leur poids réduit, ils sont plus faciles à pivoter, ce qui permet plus facilement d'utiliser soit l'écran en mode portrait, soit l'écran en mode paysage.

La fréquence de rafraîchissement est définie par le nombre d'images s'affichant sur l'écran par seconde. Cette valeur varie généralement entre 50 et 144 Hz. Plus cette fréquence est élevée, meilleur est le confort visuel.

Depuis 2007, les ventes de moniteurs de diagonale supérieure à 20 pouces ont fortement augmenté, ces écrans sont principalement au format 16/10e, ou 16/9e, désormais très rarement au format 4/3 ou 5/4. Avant 2007, le format d'image 4/3 était prédominant pour une diagonale inférieure à 20 pouces. Ce changement de format permet d'optimiser la découpe industrielle des dalles, afin de réduire les coûts de production. Pour des raisons économique et de rentabilité, le format des écrans d'ordinateur suit donc le format des télévisions.

Bi-écran

Le bi-écran (ou dual screen) est un procédé informatique permettant l'utilisation de deux écrans individuels pour un seul ordinateur. Cela permet d'obtenir un champ de vision élargi.

Ce procédé permet aussi d'utiliser un ancien écran comme affichage d'appoint lorsqu'on en achète un nouveau plus évolué (résolution plus grande, pivot, dalle IPS, etc.). La plupart des cartes graphiques actuelles disposent de deux sorties que l'on peut rendre indépendantes (par exemple VGA+DVI, ou deux DVI), certaines combinaisons de cartes et de chipsets permettant même d'en gérer trois simultanément (la troisième étant par exemple HDMI ou l'écran natif d'un ordinateur portable).

Ce système est particulièrement utile en développement, car il permet par exemple de coder sur un écran et de déboguer et de tester sur l'autre. En développement web, on peut vérifier plus facilement aussi le rendu d'une application sur des écrans différents, et/ou avec des navigateurs différents.

Écran tactile

Un écran tactile est un périphérique informatique qui combine les fonctionnalités d'affichage d'un écran (moniteur) et celles d'un dispositif de pointage.

Cela permet de réduire le nombre de périphériques sur certains systèmes et de réaliser des logiciels ergonomiques très bien adaptés à certaines fonctions. Les écrans tactiles sont utilisés, par exemple, pour les PDA, les GPS, des lecteurs MP3, les smartphones, les tablettes, des consoles de jeux portables, les billetteries automatiques, les DAB, les caisses sans caissier, etc.

Un écran tactile peut être sensible à plus de deux niveaux de pression avec une résolution meilleure (tablette graphique/stylet) et à plus de un endroit à la fois (multi-touch/doigts de la main).

Les écrans tactiles, malgré leur nom, ne disposent d’aucun repère tactile. En conséquence, s’ils ne sont pas accompagnés d’un dispositif de vocalisation (comme par exemple sur les smartphones), ils posent un problème majeur d’accessibilité pour les personnes aveugles.

Pixel

Le pixel (souvent abrégé px) est l'unité de base permettant de mesurer la définition d'une image numérique matricielle. Son nom provient de la locution anglaise picture element, qui signifie "élément d'image".

Le pixel est l'unité minimale adressable par le contrôleur vidéo. C'est aussi l'unité utilisée pour spécifier les définitions d'affichage (largeur * hauteur) :

• la définition du VGA (Video Graphics Array) est de 640 * 480, soit 307 200 pixels ;
• la définition du Super-VGA, ou S-VGA (Super Video Graphics Array) est de 800 * 600, soit 480 000 pixels ;
• la définition du XGA (Extended Graphics Array) est de 1 024 * 768, soit 786 432 pixels ;
• la définition du SXGA (Super Extended Graphics Array) est de 1 280 * 1 024, soit 1 310 720 pixels ;
• la définition du UXGA (Ultra Extended Graphics Array) est de 1 600 * 1 200, soit 1 920 000 pixels.

À chaque pixel est associée une couleur, usuellement décomposée en trois composantes primaires par synthèse additive : rouge vert bleu.

Les pixels sont approximativement rectangulaires, parfois carrés (la taille des pixel est en mm * mm) :

Définition de l'écran	14"	17"	19"	21"
VGA (640 * 480 px)	0,45 * 0,45	0,54 * 0,54	0,60 * 0,60	0,66 * 0,66
XGA (1 024 * 768 px)	0,28 * 0,28	0,34 * 0,34	0,37 * 0,37	0,41 * 0,41
SXGA (1 280 * 1 024 px)	0,225 * 0,211	0,269 * 0,252	0,300 * 0,281	0,331 * 0,311
UXGA (1 600 * 1 200 px)	0,180 * 0,180	0,215 * 0,215	0,240 * 0,240	0,265 * 0,265

Pour l'informatique, un pixel est codé sur un ou plusieurs bits :

• noir et blanc : un bit sur un écran dit monochrome ou vert ou ambre sur fond noir;
• 16 couleurs (standard VGA) : 4 bits ;
• 256 couleurs (ou 256 niveaux de gris, ce qui revient au même en termes d'occupation mémoire) : 8 bits (1 octet) ;
• 65 536 couleurs (milliers de couleurs) : 16 bits ;
• 16 777 216 couleurs (16,7 millions de couleurs, true colors) : 24 bits.

La place mémoire réelle utilisée peut être plus importante. Par exemple, en mode 16 millions de couleurs, le pixel occupe parfois 32 bits (4 octets), l'octet supplémentaire étant inutilisé, ou utilisé pour coder la transparence.

Aujourd'hui les ordinateurs de bureau sont équipés d'un écran 20" au moins, alors que les portables ocillent entre 15,6 et 19". Une tablette a une taille de 10" et un téléphone entre 3,5 et 5,2" !

Réseau

Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un "petit rets", c'est-à-dire un petit filet), on appelle noeud l'extrémité d'une connexion, qui peut être une intersection de plusieurs connexions ou équipements (un ordinateur, un routeur, un concentrateur, un commutateur).

Indépendamment de la technologie sous-jacente, nous portons généralement une vue matricielle sur ce qu'est un réseau. De façon horizontale, un réseau est une strate de trois couches : les infrastructures, les fonctions de contrôle et de commande, les services rendus à l'utilisateur. De façon verticale, on utilise souvent un découpage géographique : réseau local, réseau d'accès et réseau d'interconnexion.

Historique

Dans les années 1960, les premiers réseaux informatiques étaient de portée limitée (quelques dizaines de mètres) et servaient à la communication entre micro-ordinateurs et des instruments de mesure ou des périphériques (imprimantes, table traçante, etc.).

Les réseaux informatiques filaires entre sites distants apparaissent dans les années 1970: IBM et Digital Equipment Corporation créent les architectures SNA et DECnet, avec la digitalisation du réseau de téléphone d'AT&T et ses connexions dédiées à moyen débit. Ils sont précédés par le réseau Cyclades français, poussé par la CII et sa Distributed System Architecture, basés sur le Datagramme.

Infrastructures

Les infrastructures ou supports peuvent être sur des câbles dans lesquels circulent des signaux électriques, l'atmosphère (ou le vide spatial) où circulent des ondes radio, ou des fibres optiques qui propagent des ondes lumineuses. Elles permettent de relier "physiquement" des équipements assurant l'interconnexion des moyens physiques qui sont définis par des protocoles. Les équipements d'un réseau sont connectés directement ou non entre eux, conformément à quelques organisations types connues sous le nom de topologie de réseau. Les principaux types de réseaux filaires pour les réseaux informatiques d'entreprises ou de particuliers utilisent les protocoles suivant qui proviennent du standard Ethernet :

• 10BASE5 : câble coaxial épais bande de base (obsolète) ;
• 10BASE2 : câble coaxial fin bande de base (obsolète) ;
• 10BASE-T : paires torsadées (10 Mb/s) ;
• 100BASE-T : paires torsadées (100 Mb/s) les plus généralisées aujourd'hui en réseau local (LAN) ;
• 1000BASE-T : paires torsadées (1 Gb/s), présent dans les nouveaux ordinateurs.
• 10GBASE-T : paires torsadées (10 Gb/s).

Plusieurs normes définissent les modalités de fonctionnement des réseaux hertziens, par exemple la norme Wi-Fi (IEEE 802.11) avec une bande passante de 6 à 25 Mb/s et théoriquement jusqu'à 1,3 Gb/s (IEEE 802.11ac). Le terme "Wi-Fi" suggère la contraction de "Wireless Fidelity", par analogie au terme "Hi-Fi" pour "High Fidelity" (apparu dans les années 1930).

Les courants porteurs en ligne (CPL) permettent quant à eux de transporter des flux d'information sur un réseau électrique local (100 à 500 Mb/s).

Protocoles et Services

Les protocoles de communication définissent de façon formelle et interopérable la manière dont les informations sont échangées entre les équipements du réseau. Des logiciels dédiés à la gestion de ces protocoles sont installés sur les équipements d'interconnexion que sont par exemple les commutateurs réseau, les routeurs, les commutateurs téléphoniques, les antennes GSM, etc. Les fonctions de contrôle ainsi mises en place permettent une communication entre les équipements connectés. Le protocole probablement le plus répandu est IP qui permet l'acheminement des paquets jusqu'à sa destination. Deux protocoles de niveau supérieur UDP et TCP permettent le transport de données. Le premier permet l'envoi de données d'une manière non fiable (aucune garantie de la réception du paquet par le destinataire). L'autre permet au contraire une transmission fiable des données (garantie de la réception du paquet par le destinataire par accusés de réception). Les services réseau se basent sur les protocoles pour fournir, par exemple :

• des transferts de textes (SMS, etc.);
• des transferts de données (Internet, etc.);
• des communications vocales (téléphone, VoIP, etc.);
• des diffusions d'images (télé TNT-HD principalement, etc.).

Hiérarchies de réseaux

Les réseaux informatiques sont classés suivant leur portée :

• le bus informatique : réseau dans "la carte mère" ;
• le réseau personnel (PAN) relie des appareils électroniques personnels ;
• le réseau local (LAN) relie les ordinateurs ou postes téléphoniques situés dans la même pièce ou dans le même bâtiment ;
• le réseau local (WLAN) est un réseau LAN utilisant la technologie WIFI ;
• le réseau métropolitain (MAN) est un réseau à l'échelle d'une ville ;
• le réseau étendu (WAN) est un réseau à grande échelle qui relie plusieurs sites ou des ordinateurs du monde entier.

Un réseau peut être composé de plusieurs réseaux ou sous réseaux à base d'équipements matériels. Dans le protocole IP les membres d'un même sous réseau ou réseau possèdent le même identifiant, calculable à partir de l'adresse IP et du masque de sous réseau. L'utilisation d'une architecture comprenant des sous-réseaux permet une gestion du parc informatique plus aisée (un sous-réseau par service ou par salle, par exemple) ou un broadcast sélectif.

Un réseau peut être classé en fonction de son utilisation et des services qu'il offre. Ce découpage recoupe également la notion d'échelle. Ainsi, pour les réseaux utilisant les technologies Internet (famille des protocoles TCP/IP), la nomenclature est la suivante :

• Intranet : le réseau interne d'une entité organisationnelle;
• Extranet : le réseau externe d'une entité organisationnelle;
• Internet : le réseau des réseaux interconnectés à l'échelle de la planète.

Architecture logicielle

Les grandes phases de la conception d'un programme sont : l'analyse, l'algorithmie et la programmation.

Phase d'analyse

Avant de s'attaquer à la résolution d'un problème informatique, il est important de le formuler de façon précise dans la "langue de tous les jours". L'algorithme n'est alors finalement rien d'autre que la formulation dans un langage plus concis d'un problème clairement énoncé. Cette phase d'analyse doit être d'autant plus approfondie que le problème est complexe. Nous n'analyserons pas de la même façon la mise en place d'une chaîne de production automatisée dans une grande entreprise et le tri d'un tableau à 10 éléments.

Les personnes chargées d'analyser un problème important ont à leur disposition divers méthodes et outils (HBDS, SADT, UML, etc.) pour mener à bien leur projet.

L'algorithmique

Un algorithme est l'expression de l'ensemble des opérations à effectuer sur des ensembles de données pour aboutir à des ensembles de résultats.

L'algorithmique est la phase d'élaboration et d'écriture de l'ensemble des algorithmes nécessaire à la conception d'un programme ou d'un logiciel.

Passer par un langage algorithmique permet se concentrer sur les étapes de résolution d'un problème sans avoir à se soucier de la machine sur laquelle le programme devra fonctionner ou des spécificités du langage de programmation qui sera utilisé. Le travail de passage d'un langage d'algorithmie à n'importe quel langage de programmation n'est plus alors qu'une "simple" traduction appelée implémentation ou codage.

La programmation

La conception de logiciels pour des ordinateurs s'oppose à un premier problème :

• l'humain utilise un langage qui lui est propre;
• l'ordinateur parle en binaire (suite de 0 et de 1).

Pour pouvoir communiquer, il est dès lors nécessaire d'utiliser un langage :

• compréhensible par l'homme;
• traduisible en binaire par la machine.

C'est le langage de programmation. Un programme informatique est une succession d'instructions exécutables par l'ordinateur. La façon d'écrire un programme est très liée au langage de programmation que l'on a choisi. D'une manière générale, le programme est un simple fichier texte (écrit avec un traitement de texte ou un éditeur plus performant appelé IDE), que l'on appelle fichier source. Le fichier source contient lui-même des lignes de programmes que l'on appelle code source. Ce fichier, une fois terminé, doit être compilé ou interprété pour être exécuté par la machine.

Langages interprétés

L'interprétation consiste à parcourir un programme écrit dans un langage de programmation et à exécuter immédiatement les instructions équivalentes dans le langage machine. Le programme en langage machine n'est jamais vraiment écrit. Un programme écrit dans un langage interprété a besoin d'un programme auxiliaire (l'interpréteur) pour traduire au fur et à mesure les instructions du programme.

Les langages interprétés ont généralement l'avantage d'être plus portables (moins dépendants de l'environnement de la machine qui l'exécute).

Exemples de langages interprétés : BASIC, JavaScript, Ruby, PHP, PERL, etc.

Langages compilés

La compilation est une opération consistant à traduire le code source écrit dans un langage de programmation en langage machine. Cette traduction est effectuée par un programme annexe appelé compilateur qui génère donc un nouveau fichier autonome, c'est-à-dire qui n'aura plus besoin d'un programme autre que lui pour s'exécuter; on dit d'ailleurs que ce fichier est exécutable.

Un programme écrit dans un langage compilé a comme avantage de ne plus avoir besoin, une fois compilé, de programme annexe pour s'exécuter. De plus, la traduction étant faite une fois pour toute, il est plus rapide à l'exécution. De plus, un programme compilé garantit une meilleure sécurité du code source (le code binaire est difficilement déchiffrable).

Exemple de langages compilés: C, C++, Fortran, Pascal, Go, etc.

Remarque : la compilation se décompose en 2 étapes :

• le compilateur transforme le code source en code binaire (modification du code source, traduction en assembleur puis assemblage en binaire);
• l'édition de liens qui permet d'intégrer dans le fichier final tous les éléments annexes (fonctions, librairies, fonctionnalités utilisées par le programme mais disponibles dans d'autres fichiers, etc.) auxquels le programme fait référence mais qui ne sont pas stockés dans le fichier source).

Langages intermédiaires

D'autres langages appartiennent aux deux catégories à la fois. Dans ces cas là, le programme est d'abord pré-compilé dans un langage intermédiaire appelé généralement bytecode, qui est une sorte de langage machine de type assembleur qui n'est pas directement exécutable. Ce code nécessite ensuite d'être interprété. Par exemple, le Java fait appel à une machine virtuelle (la JVM) pour interpréter le bytecode préalablement généré.

Les programmes écrit en langage intermédiaire gagnent en portabilité (le code intermédiaire est le même pour toutes les machines) par rapport aux langages compilé, mais y perdent généralement en performance.

Exemple de langages intermédiaires : Python, Java, etc.

Petit historique des langages

Le premier langage de programmation universel de haut niveau est le Fortran (Formula Transistor), inventé en 1954. Il donnera ensuite naissance à l'ALGOL60 et au COBOL. Aujourd'hui, de nombreux langages de programmation, souvent construit à partir de ces premiers langages, ont vu le jour (Java, C++, Python, JavaScript, etc.).

Ingénierie des système d'information

L'ingénierie des systèmes d'information vise à transformer les besoins des utilisateurs en spécifications d'une application formalisées pour le développeur. Elle regroupe un ensemble de méthodes, techniques et outils aidant à la formalisation de spécifications. Le terme de brainware a été introduit en 1974 par Tosio Kitagawa mais reste assez confidentiel. L'ingénierie des système se développera vraiment à partir des années 1990 lorsque les systèmes informatiques à développer sont devenus plus complèxes.

Elle s'est rapidement constitué un ensemble de méthode techniques et outils visant à assurer la qualité des applications. Les activités de l'ingénierie des systèmes couvrent ainsi des domaines variés de la réalisation de programmes informatiques : conception, tests, documentation, méthode de développement, etc. Les méthodes de gestion de projet articuleront ces différents éléments entre eux.

Nous reviendrons dans d'autres cours sur le langage UML qui est utilisé pour modéliser des systèmes informatiques dans toutes leurs dimensions. Créé en 1995 par fusion d'outils existant, ce langage est aujourd'hui un standard de la conception en informatique. La méthode Merise de conception et développement de système informatiques est également très utilisé dans le monde professionnel.