Matériel informatique

Matériel informatique

• Les ordinateurs ont deux parties principales : le matériel et le logiciel
• Comme le piano (matériel) et la musique (logiciel)
• Dans cette section : matériel

L’ordinateur est une technologie polyvalente étonnamment utile, au point que maintenant les appareils photo, les téléphones, les thermostats, et plus encore sont tous maintenant de petits ordinateurs. Cette section va présenter les principales parties et les thèmes du fonctionnement du matériel informatique. « Matériel » désigne les parties physiques de l’ordinateur, et « logiciel » désigne le code qui s’exécute sur l’ordinateur.

Puces et transistors

• Transistor – bloc de construction électronique vital
  -Transistors sont « à l’état solide » – pas de pièces mobiles
  -Une des inventions les plus importantes de l’histoire
  -. »Interrupteur » que nous pouvons allumer/éteindre avec un signal électrique
• Puce de silicium – morceau de silicium de la taille d’un ongle
• Des transistors microscopiques sont gravés sur les puces de silicium
• Les puces peuvent contenir des milliards de transistors
• Les puces sont emballées dans du plastique, avec des petits pieds en métal
• e.g. puces d’unité centrale, puces de mémoire, puces flash
• Silicium (métalloïde) vs Silicone (substance douce sur les ustensiles de cuisine)

Voici une puce de silicium à l’intérieur de son emballage en plastique. J’ai sorti cela de la pile de déchets électroniques du bâtiment CS de Stanford, donc c’est probablement un peu vieux. C’est une petite puce avec seulement quelques « broches » de connexion électrique. Plus tard, nous verrons une puce plus grande avec des centaines de broches.

À l’intérieur de l’emballage plastique se trouve une puce de silicium de la taille d’un ongle avec des transistors et d’autres composants gravés sur sa surface. De minuscules fils relient la puce à l’extérieur. (CC licensed attribution sharealke 3. wikipedia user Zephyris)

Les ordinateurs modernes utilisent de minuscules composants électroniques qui peuvent être gravés sur la surface d’une puce de silicium. (Voir : wikipedia puce) Notez que le silicium (puces, panneaux solaires) et le silicone (matériau caoutchouteux mou) sont différents !

Le composant électronique le plus courant est le « transistor » qui fonctionne comme une sorte de soupape amplificatrice d’un flux d’électrons. Le transistor est un dispositif « à l’état solide », ce qui signifie qu’il n’a pas de pièces mobiles. Il s’agit d’un élément de base utilisé pour construire des composants électroniques plus complexes. En particulier, un « bit » (ci-dessous) peut être construit avec un arrangement de 5 transistors. Le transistor a été inventé au début des années 1950, en remplacement du tube à vide. Depuis lors, les transistors sont devenus de plus en plus petits, ce qui permet d’en graver de plus en plus sur une puce de silicium.

La loi de Moore

• Les transistors deviennent 2x plus petits environ tous les 2 ans
  – parfois listés comme environ 18 mois
• On peut faire tenir deux fois plus de transistors par puce
• Grâce à une meilleure technologie de gravure des puces
  -Mais une usine de puces de pointe coûte plus d’un milliard de dollars
• Observation vs. loi »
• 2 Effets:
• a. les puces ont deux fois la capacité tous les 2 ans
  la vitesse ne double pas, la capacité double ce qui est toujours très utile
• b. ou en gardant la capacité constante, les puces deviennent plus petites et moins chères tous les 2 ans
• (b) c’est pourquoi les ordinateurs sont maintenant dans les voitures, les thermostats, les cartes de vœux
• Exemple : 50 $ lecteur MP3 capacité tous les 2 ans : 2GB, 4GB, 8GB, 16GB
• Règle du pouce : 8x la capacité tous les 6 ans
• 8x en 6 ans peut correspondre à l’augmentation de la capacité de votre téléphone
• La loi de Moore ne durera probablement pas éternellement

La loi de Moore (Gordon Moore, cofondateur d’Intel) stipule que la densité des transistors sur une puce double environ tous les 2 ans (parfois répertoriée comme tous les 18 mois). Cette augmentation est due à l’amélioration de la technologie de fabrication des puces. Il ne s’agit pas d’une loi scientifique, mais d’une prédiction générale qui semble continuer à fonctionner. De manière plus générale, elle traduit l’idée que, par dollar, la technologie informatique (pas seulement les transistors) s’améliore de manière exponentielle au fil du temps. Cela est tout à fait clair si vous regardez le coût ou la capacité des ordinateurs/appareils photo, etc. que vous avez possédés. La loi de Moore donne lieu à des ordinateurs plus performants (comparez ce que peut faire un iPhone 7 par rapport à l’iPhone original) ainsi qu’à des ordinateurs moins chers (des ordinateurs moins performants apparaissent partout, comme dans les thermostats et les voitures).

Les ordinateurs dans la vie : Systèmes de contrôle

• Système de contrôle : répond à un état externe
• par exemple, moteur de voiture : varier le mélange de carburant en fonction de la température
• par exemple. déclencher l’airbag sur des forces G élevées de collision
• Les puces sont un grand, moyen bon marché de construire des systèmes de contrôle
• Les systèmes de contrôle pré-ordinateur ne fonctionnaient pas si bien
• Une des raisons pour lesquelles les voitures fonctionnent tellement mieux aujourd’hui

Système de contrôle / Démonstration de la lampe de poche de Moore

• La lampe de poche Maglite XL200 est équipée d’une puce
• Exemple de système de contrôle
• La loi de Moore rend cette application d’une puce réalisable
• La lampe de poche convertit la position angulaire en luminosité. (1-clic)
• Elle a aussi un mode de conversion de l’angle en vitesse de clignotement. (2-clics)

Matériel informatique – CPU, RAM, et stockage persistant

Maintenant, parlons des trois parties principales qui composent un ordinateur — CPU, RAM, et stockage persistant. Ces trois éléments se retrouvent dans tous les ordinateurs : ordinateurs portables, smartphones et tablettes.

CPU

• CPU – Central Processing Unit
• Agit comme un cerveau : suit les instructions du code
• « général » – images, réseau, maths… tous sur le CPU
• Exécute des calculs, par ex.par exemple, additionner deux nombres
• vs. RAM et stockage persistant qui ne font que stocker des données
• « gigahertz » = 1 milliard d’opérations par seconde
• Un CPU « 2 gigahertz » effectue 2 milliards d’opérations par seconde

CPU – Central Processing Unit – inévitablement appelé le « cerveau » des ordinateurs. L’unité centrale de traitement effectue le « fonctionnement » actif du code, en manipulant les données, tandis que les autres composants ont un rôle plus passif, comme le stockage des données. Lorsque nous disons qu’un ordinateur peut « additionner deux nombres, un milliard de fois par seconde », c’est l’unité centrale. Lorsque vous appuyez sur le bouton « Run », le CPU « exécute » finalement votre code. Plus tard, nous compléterons le tableau de la façon dont votre code Javascript est exécuté par le CPU.

A part : CPU « Cores »

• Les puces CPU modernes ont plusieurs « cores »
• Chaque core est un CPU semi-indépendant
• Clé : avoir 4 cores n’est pas 4x plus rapide qu’avoir 1 core
• i.e. 4 voitures ne vous mènent pas à destination plus rapidement qu’une voiture
• Rendements décroissants
• Plus de 4 cœurs est souvent inutile

Exemples de CPU

Variante de la CPU : GPU – Graphics Processing Unit

• Comme le CPU, mais spécialisé pour traiter les images
• Les jeux informatiques utilisent beaucoup le GPU
• Les CPU modernes sont la plupart du temps assez rapides, plus d’énergie dans les GPU

RAM

• RAM – Random Access Memory
• Agit comme un tableau blanc
• Octets de stockage temporaire et fonctionnel
• RAM stocke à la fois le code et les données (temporairement)
• e.ex. ouvrir une image dans Photoshop
  – les données de l’image sont chargées dans les octets de la RAM
• e.g. ajouter 2 à un nombre dans une calculatrice
  – manipuler les octets dans la RAM
• « persistante »
  -La RAM n’est pas persistante. L’état disparaît lorsque l’alimentation est coupée
  -e.g. Vous travaillez sur un doc, puis l’alimentation est coupée et vous perdez votre travail (vs. « Save »)

RAM – Random Access Memory, ou simplement « mémoire ». La RAM est la mémoire tampon de travail que l’ordinateur utilise pour stocker le code et les données qui sont activement utilisés. La RAM est effectivement une zone de stockage d’octets sous le contrôle de l’unité centrale. La RAM est relativement rapide et peut récupérer la valeur d’un octet particulier en quelques nanosecondes (1 nanoseconde correspond à un milliardième de seconde). L’autre caractéristique principale de la RAM est qu’elle ne conserve son état que tant qu’elle est alimentée en énergie — la RAM n’est pas un stockage « persistant ».

Supposons que vous travaillez sur votre ordinateur et qu’il perde soudainement son alimentation et que l’écran devienne blanc. Vous comprenez que ce sur quoi vous travailliez a disparu. La mémoire vive a été nettoyée, ne vous laissant que ce que vous avez enregistré en dernier sur le disque (ci-dessous).

Exemples de RAM

• Vous avez de nombreux onglets ouverts dans votre navigateur
  – les données de chaque onglet sont en RAM
• Un programme est en cours d’exécution
  – le code du programme est en RAM
• Un programme manipule une grande image
  – les données de l’image sont en RAM
• e.g. vous pouvez manquer de RAM – vous ne pouvez pas ouvrir un nouvel onglet ou un nouveau programme parce que toute la RAM est utilisée
• A part : maintenant les téléphones ont 2-4GB de RAM … assez pour la plupart des besoins

Stockage persistant : Disque dur, lecteur flash

• Stockage persistant d’octets
• « Persistant » signifie conservé même lorsqu’il n’est pas alimenté
• e.g. Disque dur – stocke les octets sous forme de motif magnétique sur un disque rotatif
  – alias « disque dur »
  – Son de rotation aigu que vous avez peut-être entendu
• Les disques durs ont été la principale technologie de stockage persistant pendant longtemps
• Mais maintenant le flash devient plus populaire.

Comment fonctionne un disque dur Vidéo (Webm est un format vidéo standard ouvert, fonctionne dans Firefox et Chrome). 4:30 dans la vidéo pour voir quelques lectures/écritures de bits.

Le stockage persistant, une technologie plus récente : Flash

• « Flash » est une technologie de stockage persistant de type transistor
  « solid state » – pas de pièces mobiles
  -aka « Flash drive »
  -aka « Flash memory »
  -aka « SSD » : Solid State Disk
• La Flash est meilleure qu’un disque dur dans tous les domaines, sauf le coût – plus rapide, plus fiable, moins de puissance
• La Flash est plus chère par octet
• Formats : Clé usb, carte SD dans un appareil photo, stockage flash intégré dans un téléphone ou une tablette ou un ordinateur
• La flash était autrefois très chère, de sorte que la plupart des ordinateurs utilisaient des disques durs
• La flash devient moins chère (loi de Moore)
• Cependant, par octet, les disques durs sont toujours nettement moins chers
• À ne pas confondre avec « Adobe Flash », un format de média propriétaire
• Avertissement : le flash ne persiste pas éternellement. Il se peut qu’il ne tienne plus les bits après 10 ou 20 ans. Personne ne le sait avec certitude

Stockage persistant – stockage à long terme pour les octets sous forme de fichiers et de dossiers. Persistant signifie que les octets sont stockés, même lorsque le courant est coupé. Un ordinateur portable pourrait utiliser un disque dur rotatif (également connu sous le nom de « disque dur ») pour le stockage persistant des fichiers. Il peut aussi utiliser un « lecteur flash », également appelé « disque d’état solide » (SSD), pour stocker des octets sur des puces flash. Le disque dur lit et écrit des motifs magnétiques sur un disque métallique en rotation pour stocker les octets, tandis que le flash est « à l’état solide » : pas de pièces mobiles, juste des puces de silicium avec de minuscules groupes d’électrons pour stocker les octets. Dans les deux cas, le stockage est persistant, en ce sens qu’il conserve son état même lorsque l’alimentation est coupée.

Un lecteur flash est plus rapide et consomme moins d’énergie qu’un disque dur. Cependant, par octet, la flash est nettement plus chère que le stockage sur disque dur. La flash est de moins en moins chère, elle pourrait donc occuper des niches au détriment des disques durs. La mémoire flash est beaucoup plus lente que la mémoire vive, elle ne peut donc pas remplacer cette dernière. Notez que Adobe Flash est un concept sans rapport ; c’est un format de média propriétaire.

Le stockage flash est ce qui sous-tend les clés USB, les cartes SD utilisées dans les appareils photo, ou le stockage intégré dans une tablette ou un téléphone.

Système de fichiers

• Comment sont organisés les octets dans le stockage persistant ?
• e.g. Octets sur une clé USB ?
• « Système de fichiers » – organiser les octets du stockage persistant, les fichiers et les dossiers
• « Fichier » – un nom, une poignée à un bloc d’octets
• e.g. « flowers.jpg » se réfère à 48KB d’octets de données d’image

Le disque dur ou le lecteur flash fournit un stockage persistant comme une zone plate d’octets sans beaucoup de structure. En général, le disque dur ou le disque flash est formaté avec un « système de fichiers » qui organise les octets selon le modèle familier de fichiers et de répertoires, où chaque fichier et chaque répertoire porte un nom quelque peu utile comme « resume.txt ». Lorsque vous connectez le lecteur à un ordinateur, l’ordinateur présente le système de fichiers du lecteur à l’utilisateur, lui permettant d’ouvrir des fichiers, de déplacer le fichier, etc.

Essentiellement, chaque fichier du système de fichiers fait référence à un bloc d’octets, ainsi le nom « flowers.jpg » fait référence à un bloc de 48KB d’octets qui sont les données de cette image. Le système de fichiers donne en fait à l’utilisateur un nom (et probablement une icône) pour un bloc d’octets de données, et lui permet d’effectuer des opérations sur ces données, comme les déplacer, les copier ou les ouvrir avec un programme. Le système de fichiers suit également les informations concernant les octets : leur nombre, l’heure de leur dernière modification.

Microsoft utilise le système de fichiers propriétaire NTFS, et Mac OS X a son équivalent HFS+, propriété d’Apple. De nombreux appareils (appareils photo, lecteurs MP3) utilisent le très ancien système de fichiers FAT32 de Microsoft sur leurs cartes flash. FAT32 est un système de fichiers ancien et primitif, mais il est bon là où un large support est important.

Exemples de stockage persistant

• Celui-ci est facile à comprendre, puisque vous avez utilisé des fichiers et des systèmes de fichiers
• par exemple 100 fichiers vidéo séparés de 1 Go…. nécessitent 100 Go de capacité de stockage

Images de matériel

Vous trouverez ci-dessous des images d’un ordinateur Shuttle bas de gamme avec un processeur de 1,8ghz, 512 Mo de RAM et un disque dur de 160 Go. Il coûtait environ 200 $ aux alentours de 2008. Il s’est cassé, et est donc devenu un exemple pour la classe.

Voici la « carte mère » plate, un peu plus petite qu’une feuille de papier 8,5 x 11, sur laquelle se branchent les différents composants. Au centre se trouve le processeur. À l’extrême droite se trouve la mémoire RAM. Juste à droite du CPU se trouvent quelques puces de support. L’une des puces est recouverte d’un « dissipateur thermique » en cuivre, qui s’appuie fermement sur la puce et dissipe la chaleur de celle-ci dans l’air ambiant. Le CPU avait également un très grand dissipateur, mais il a été retiré pour rendre le CPU visible.

• Carte mère
• Paquet métallique du CPU, maintenu par un levier
• Dissipateur thermique en cuivre

Le CPU est maintenu fermement contre la carte mère par un petit mécanisme à levier. Ici, le mécanisme est libéré pour que le CPU puisse être pris en main. Le CPU, de la taille d’un ongle, est emballé sous ce couvercle métallique qui aide à conduire la chaleur du CPU jusqu’à son dissipateur thermique. La substance grise sur le couvercle métallique de la puce est de la « pâte thermique », un matériau qui aide à conduire la chaleur du boîtier de la puce jusqu’à son dissipateur thermique (non représenté).

• Puce CPU dans un emballage métallique
• Le dissipateur thermique a été retiré
• Fond de l’emballage … de nombreuses connexions (petits fils)

En retournant le CPU, on voit les petits tampons dorés sur le fond du CPU. Chaque plot est relié par un fil très fin à un point de la puce de silicium.

Voici une photo d’une autre puce, mais avec l’emballage supérieur retiré. Vous voyez la puce de silicium en forme de petit doigt au centre avec les minuscules détails du transistor gravés dessus. Au bord de la puce, voyez les fils très fins qui connectent des parties de la puce à des tampons extérieurs (CC attribution sous licence sharealke 3. Utilisateur de wikipedia Zephyris)

Maintenant en regardant de côté, on peut voir plus clairement le dissipateur thermique et la carte mémoire RAM, qui dépassent de la carte mère.

• Carte mémoire RAM
• Connexion à la carte mère
• Carte de 512 Mo (4 puces)

La RAM est construite avec quelques puces emballées ensemble sur une petite carte appelée DIMM qui se branche sur la carte mère (module de mémoire en ligne double). Ici, nous voyons le DIMM de RAM retiré de son socle de carte mère. Il s’agit d’une DIMM de 512 Mo construite avec 4 puces. Quelques années plus tôt, cette DIMM aurait pu nécessiter 8 puces afin de stocker 512MB… La loi de Moore en action.

Voici un disque dur qui se connecte à la carte mère avec le connecteur standard visible SATA. Il s’agit d’un disque de 160 Go, « 3,5 pouces » se référant au diamètre du disque rotatif à l’intérieur ; l’ensemble du disque a environ la taille d’un petit livre de poche. Il s’agit de la taille standard d’un disque utilisé dans un ordinateur de bureau. Les ordinateurs portables utilisent des disques de 2,5 pouces, qui sont un peu plus petits.

• Disque dur de 160 Go (stockage persistant)
• i.e. persistant
• Connexion à la carte mère avec un câble SATA standard

C’est un disque flash USB qui, comme un disque dur, fournit un stockage d’octets persistant. Elle est également connue sous le nom de « clé de pouce » ou de « clé USB ». Il s’agit essentiellement d’une prise USB connectée à une puce de stockage flash avec un peu d’électronique de support :

• La clé USB (l’autre type de stockage persistant)
• c’est-à-dire persistant
• Contenant une puce flash, à état solide
• Carte SD, idée similaire

Ici, elle est démontée, montrant la puce flash qui stocke réellement les octets. Cette puce peut stocker environ 1 milliard de bits … combien d’octets cela fait-il ? (R : 8 bits par octet, donc cela fait environ 125 Mo)

Voici une « carte SD » qui assure le stockage dans un appareil photo. C’est très similaire à la clé USB, juste une forme différente.

Microcontrôleur – Puce informatique bon marché

• Microcontrôleur
• Ordinateur complet sur une puce
• Petite unité centrale, RAM, stockage (loi de Moore)
• La puce peut coûter moins de 1$
• Voiture, micro-ondes, thermostat

Ordinateur Arduino

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