SCIENCES NUMERIQUES ET TECHNOLOGIE
BASES

Introduction

Platon venant de définir l'Homme comme un bipède sans plumes, Diogène de Sinope se présenta à son Académie, brandit un coq plumé en clamant sur un ton ironique : Voici l'Homme selon Platon!. Cette anecdote illustre la difficulté de construire une définition.

Avec quelques milliers de mots, nous décrivons un monde infini. Quelques milliers comptent peu face à l'infini. Un même mot désigne plusieurs choses, plusieurs mots désignent la même chose. De nouveaux mots apparaissent, d'autres tombent en désuétude. Les abus de langage et autres sous-entendus détériorent cette situation. En somme, élaborer une définition précise, consensuelle bien que synthétique, s'avère compliqué.

Définitions

Science

Outil pour comprendre le monde, reposant sur l'observation et l'expérimentation.

Numérique

Ce mot revêt plusieurs sens. Il signifie banalement relatif aux nombres. Ici, il concerne les algorithmes et les données numérisés, convertis en suites de 0 ou de 1 pour un traitement informatique.

Technologie

Etude des outils et des savoir-faire pour produire des choses utiles.

Informatique

Le terme informatique se construit avec les mots information et automatique. Il signifie traitement automatique de l'information par ordinateur... sauf que :

• L'ordinateur traite des données numériques, pas de l'information.
• L'automate traite des données logiques (en tout ou rien), pas numériques.

Ainsi, le mot informatique signifie plus précisément traitement séquentiel des données numériques par ordinateur. L'informatique repose sur 4 piliers :

Algorithme

Description rigoureuse d'une procédure par une suite finie d'étapes successives, pour traiter des données et obtenir des résultats.

L'algorigramme (ou logigramme ou encore organigramme de programmation), dont la figure ci-dessous en montre un exemple, s'emploie parfois pour présenter graphiquement un algorithme.

Donnée

Elément d'information qu'un algorithme traite pour produire des résultats. Concrètement, les données peuvent prendre diverses formes, telles que des nombres, des mots, des tableaux de nombres, des textes, des images....

Langage

Moyen de communication entre un humain et un ordinateur. Il traduit les algorithmes ou structure les données en un code numérisable, compatible avec l'ordinateur. On distingue :

• Les langages de programmation.
• Les langages de structuration de données.

Un langage de programmation bas-niveau permet un contrôle plus direct sur le matériel, alors qu'un langage haut-niveau est plus facilement abordable pour un humain.

Ordinateur

Machine qui effectue des calculs sur des données numériques en suivant les instructions d'un programme. L'ordinateur se décompose en 3 parties :

Calculateur

Machine qui effectue des calculs (plusieurs opérations arithmétiques ou logiques) sur des données numériques.

Calculatrice (ou machine à calculer)

Type de calculateur effectuant des opérations arithmétiques.

Automate

Automate peut désigner :

• Un système de commande.
• Ou la machine toute entière, laquelle se nomme aussi système automatisé.

Un automate reproduit en autonomie, sans intervention humaine directe, une séquence d'actions prédéterminée. En principe, un système motorisé (l'énergie de puissance, en fonctionnement, n'est pas fournie par un humain) est dit :

• Automatisé s'il est doté d'une commande logique (en tout ou rien).
• Robotisé s'il est doté d'une commande numérique.

Les automates ont évolué en trois grandes familles :

• Automate mécanique : Basé sur un système mécanique, il comporte un ruban perforé, un rouleau à picots ou un arbre à cames dont le déplacement contrôlé engendre les actions souhaitées. Il peut être entraîné par un poids, un ressort, un moteur électrique.
• Automate électromécanique : Basé sur des relais électromécaniques et un câblage électrique, il reçoit, traite et retourne des données logiques.
• API (automate programmable industriel) : Basé sur un microcontrôleur, il traite des données logiques en suivant les instructions d'un programme. Il peut s'assimiler à un ordinateur lorsque certaines des données traitées sont numériques.

Mémoire

Lieu de conservation des fichiers. Un fichier est une suite de 0 ou de 1. Ces chiffres se regroupent habituellement par 8 pour former des octets (symbole : o). La taille d'une mémoire, d'un fichier, s'exprime en o ou un de ses multiples : ko, Mo ou Go. On distingue :

• Les fichiers exécutables ou programmes.
• Les fichiers de données.

Par ailleurs, les octets placés dans un fichier peuvent correspondre à des caractères, encodés en UTF-8 ou ASCII par exemple. On distingue ainsi :

• Les fichiers textes.
• Les fichiers binaires.

Fichier exécutable ou programme

Fichier contenant une suite d'instructions exécutables par un ordinateur.

• Programme interprété :
  • Le code est un texte interprété par un logiciel appelé interpréteur.
  • Le programme est compatible avec la plupart des systèmes d'exploitation.
  • L'exécution du programme est relativement lente.
• Programme compilé :
  • Le code source est compilé par un logiciel nommé compilateur pour obtenir un code binaire interprété directement par l'ordinateur.
  • Le programme n'est compatible qu'avec le système d'exploitation pour lequel le code source a été compilé.
  • L'exécution du programme est très rapide.

Trois paradigmes très classiques en programmation :

Fichier de données

Fichier contenant des données traitées par des programmes.

• Fichier texte :
  • En cas de besoin, il s'ouvre avec un simple éditeur de texte.
  • Si le logiciel qui le traite disparaît, les données subsistent.
• Fichier binaire :
  • Il prend souvent moins de place sur le support de stockage.
  • S'il n'est pas documenté et si le logiciel qui le traite disparaît, les données deviennent inutilisables.

Logiciel

Système de programmes, ainsi que tous les fichiers de données nécessaires à le rendre opérationnel. Exemples :

• Le système d'exploitation (en anglais OS de Operating System) : Il gère le matériel informatique.
• L'application : Elle exécute des tâches spécifiques pour l'utilisateur final en s'appuyant sur les services du système d'exploitation.

• Autres logiciels :
  • Les pilotes matériels (drivers en anglais).
  • Les serveurs web, les serveurs de base de données.
  • Les compilateurs et interpréteurs.
  • ...

Tableaux de synthèse

Les machines :

Les fichiers :

Repères historiques

Traitement des données numériques

Il s'agit ici de présenter quelques machines, calculateurs ou ordinateurs, importantes dans le cadre historique. Quelle date retenir? Plusieurs années s'écoulent entre l'idée, la conception, la mise au point, le dépôt de brevet, la création de société, la commercialisation. Affirmer que telle machine est la première au monde à obtenir tel résultat se révèle délicat: :

• Certaines machines furent seulement imaginées ou esquissées.
• D'autres construites l'état de prototype dégrossi, vaguement utilisé en laboratoire.
• Certaines commercialisées, parfois de manière confidentielle, d'autres fois avec un succès planétaire.
• Une innovation résulte souvent de l'amélioration, du perfectionnement d'une machine précédente.

Solutions mécaniques

Machine d’Anticythère

C'est un dispositif mécanique grec de l'antiquité, utilisé pour calculer et afficher des informations sur les phénomènes astronomiques. C'est le premier calculateur à engrenages de l'Histoire.

Pascaline

C'est une calculatrice mécanique, inventée par Blaise Pascal en 1645. Ayant effectivement été utilisée en pratique et commercialisée, elle est souvent considérée comme la première calculatrice de l'Histoire.

Arithmomètre d'Odhner

C'est une machine à calculer à addition et soustraction directes et qui permet aussi de multiplier et de diviser. Inventée en Russie en 1873 par Willgodt Theophil Odhner, un immigrant suédois, elle deviendra extrêmement populaire au XXe siècle.

Machine Analytique de Charles Babbage

C'est une machine mécanique dont l'architecture ressemble à celle d'un ordinateur moderne. Elle n'a jamais été construite dans son intégralité. Sa collaboratrice, Ada Lovelace, est souvent considérée comme la première informaticienne de l'Histoire. Plan 28 est un projet de construction de cette machine.

Bombe de Turing

C'est une sorte d'ordinateur mécanique capable de casser les codes allemands d'Enigma, pendant la Seconde Guerre mondiale. Elle est une amélioration de la Bombe cryptologique du polonais Marian Rejewski, travaillant au Biuro Szyfrów. Alan Mathison Turing est souvent considéré comme le père de l'informatique.

Composants électroniques de base

Les ordinateurs et calculateurs ont été construits à partir de quatre composants de base.

Relais électromécanique

Il était très utilisé autrefois pour construire les systèmes automatisés. On dit qu'il est électromécanique plutôt qu'électronique du fait de sa partie mobile. Le premier relais réellement pratique a vu le jour en 1837, grâce à l'inventeur américain Samuel F.B. Morse (celui qui a inventé l'alphabet de même nom).

Tube à vide ou tube électronique

C'est un autre composant équivalent au relais, inventé en 1906 par l'américain Lee De Forest, très utilisé dans les années 1950-1970. Les tubes électroniques fonctionnant aussi en analogique, ils ont été très utilisés pour construire les postes de radio. Ils sont basés sur l'effet thermo-ionique.

Transistor

Qui a inventé le transistor, dont on dit qu'il a engendré la quatrième révolution industrielle, après celles du charbon, de l'électricité et du nucléaire?

Il a été mis en œuvre en 1947 par les Américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs des Laboratoires Bell. Ces chercheurs ont reçu pour cette invention le prix Nobel de physique en 1956.

Sauf que... Quelques années plus tôt, en 1925, le physicien austro-hongrois Julius Edgar Lilienfeld déposa un brevet, au Canada, sur le concept théorique d’un « transistor à effet de champ ».

Le TA166 fut un des premier transistor commercialisé en 1952.

Microprocesseur

C'est un circuit intégré, aussi appelé puce électronique. L'Intel 4004 est le premier microprocesseur commercialisé en 1971. Fonctionnant en 4 bits, (32 caractères) à une fréquence 740 kHz, il comporte 2300 transistors.

Solutions électroniques

Zuse 3

Le relais a été utilisé pour fabriquer le premier ordinateur au monde, en 1941. Le Z3 (Zuse 3) était un calculateur à relais électromécaniques conçu par l'ingénieur allemand Konrad Zuse. Ce calculateur était la première machine programmable pleinement automatique ce qui en fait le premier ordinateur du monde. Il était composé de 2000 relais électromécaniques, fonctionnait à une fréquence d'horloge de 5 à 10 Hz et exploitait des mots d'une longueur de 22 bits. Le code et les données étaient stockés sur des rubans perforés en celluloïd.

ABC

L'ABC (Atanasoff–Berry Computer) fut reconnu, après un procès, comme le premier ordinateur numérique électronique (ce que prétendait être l'ENIAC). Il fonctionnait avec des tubes à vide et a été testé avec succès en 1942. Il a été conçu par les américains John Vincent Atanasoff et Clifford Berry.

TRADIC

En 1955, le TRADIC (TRAnsistor DIgital Computer or TRansistorized Airborne DIgital Computer) des laboratoires Bell a été le premier ordinateur à transistors des États-Unis. Il comportait 700 transistors et 10 000 diodes.

Micral N

En 1972, la société française Réalisations et études électroniques fondée et dirigée par André TRUONG, commercialise le premier micro-ordinateur vendu assemblé, le Micral N à microprocesseur 8 bits Intel 8008.

Les microprocesseurs

Architecture de von Neumann

De nos jours, la plupart des ordinateurs suivent l’architecture de von Neumann. Elle décompose l’ordinateur en 4 parties :

• L’unité arithmétique et logique (UAL) ou unité de traitement, effectuant les opérations de base.
• L’unité de contrôle, chargée du séquençage des opérations.
• La mémoire, contenant les programmes et les fichiers de données.
• Les entrées-sorties, permettant de communiquer avec l'extérieur.

Principaux types de microprocesseurs

Deux grandes familles de microprocesseurs :

• CPU (central processing unit) : Processeur pour l'unité centrale.
• GPU (graphics processing unit) : Processeur pour l'unité graphique.

Principaux types de CPU :

Type	ARM	x86, x64
Utilisation
Fabriquants	Qualcomm Samsung Freescale Nvida ...	Intel Corporation AMD (Advanced Micro Devices)

Evolution des microprocesseurs

Selon la loi de Gordon Moore, énoncée en 1975 : Le nombre de transistors des microprocesseurs sur une puce de silicium double tous les deux ans.

Notations binaire, décimale, hexadécimale

Systèmes de numération

• Le système binaire est le système de numération utilisant la base 2.
• Le système décimal est le système de numération utilisant la base 10.
• Le système hexadécimal est le système de numération utilisant la base 16.

On dit de manière rigoureuse :

• Un nombre en notation binaire.
• Un nombre en notation décimale.
• Un nombre en notation hexadécimale.

On dit plus simplement, par abus de langage :

• Un nombre binaire.
• Un nombre décimal.
• Un nombre hexadécimal.

Attention à la confusion, un nombre décimal peut désigner :

• Un nombre en notation décimale, on dit aussi un nombre écrit en base 10.
• Un nombre réel avec un nombre fini de chiffres après la virgule.

Notations d'un octet

Les octets des fichiers s'écrivent ordinairement en notations binaire, décimale ou hexadécimale.

Conversions en Python

Exemple de programme :

nb_dec=123
nb_hex=0x7b
nb_bin=0b1111011
print(nb_dec, nb_hex, nb_bin)
print(type(nb_dec), type(nb_hex), type(nb_bin))
print()

ch1=hex(nb_dec)
ch2=bin(nb_dec)
ch3=ch1[2:]
ch4=ch2[2:]
print(ch1, ch2, ch3, ch4)
print(type(ch1), type(ch2), type(ch3), type(ch4))
print()

nb1=int(ch1,16)
nb2=int(ch2,2)
nb3=int(ch3,16)
nb4=int(ch4,2)
print(nb1, nb2, nb3, nb4)
print(type(nb1), type(nb2), type(nb3), type(nb4))

Résultat obtenu :

123 123 123
<class 'int'> <class 'int'> <class 'int'>

0x7b 0b1111011 7b 1111011
<class 'str'> <class 'str'> <class 'str'> <class 'str'>

123 123 123 123
<class 'int'> <class 'int'> <class 'int'> <class 'int'>

Encodage des caractères

Divers encodages

Les octets des fichiers représentent souvent des caractères. La transcription des caractères, compréhensibles par l'utilisateur, en octets, traités par l'ordinateur, se nomme codage ou encodage.

Exemple d'extrait du code ASCII :

Il existe de nombreux codes différents. De nos jours, l'UTF-8 tend à se généraliser. Il est compatible avec le code ASCII, très ancien et toujours utilisé.

Encodage en Python

Soit la chaîne de trois caractères "eé\n" à coder en UTF-8 :

Exemple d'encodage en UTF-8 :

txt="eé\n"
txt_encode=txt.encode()
print(len(txt), type(txt), len(txt_encode), type(txt_encode))
print()
for i in txt_encode :
  print(i, bin(i)[2:], hex(i)[2:], type(i))

Résultat obtenu :

3 <class 'str'> 4 <class 'bytes'>

101 1100101 65 <class 'int'>
195 11000011 c3 <class 'int'>
169 10101001 a9 <class 'int'>
10 1010 a <class 'int'>

Quelques noms de caractères

Les noms que devraient porter les caractères... est un sujet polémique.

Quelques unités

Préfixes décimaux, binaires

En informatique, pour des raisons techniques, les préfixes binaires s'emploient en complément des préfixes décimaux.

Taille d'un fichier

En informatique, les bits se regroupent communément par séries de 8. Ainsi, la taille d'un fichier s'exprime :

• En bits.
• En octets ou en bytes.

Noms d'unités :

• Bit : Variable prenant deux valeurs, 0 ou 1.
• Octet : En français, séquence de 8 bits.
• Byte : En anglais, unité de stockage autrefois variable selon l'architecture du système, généralisée aujourd'hui à un octet.

Symboles d'unités :

• Bit : b ou bit
• Octet : o
• Byte : B

Préfixes pour les bits

Préfixes pour les octets

Débit binaire

Le débit binaire (bitrate en anglais) indique la quantité de données numériques transmises par unité de temps. Il s'exprime :

• En bits par seconde.
• En octets ou en bytes par seconde.

Préfixes pour les bits par seconde

Préfixes pour les octets par seconde