Architectures matérielles et systèmes d'exploitation en 1ère
Cours complet, points clés à retenir et exercices d'entraînement de architectures matérielles et systèmes d'exploitation pour les élèves de 1ère. Conforme au programme officiel.
Réviser notion par notion
- Architecture de von Neumann
- Le processeur : cerveau de l'ordinateur
- Mémoire et bus de communication
- Système d'exploitation : gestionnaire des ressources
- Gestion des processus
- Gestion de la mémoire
- Shell et interface en ligne de commande
- Système de fichiers et permissions
- Périphériques d'entrée et de sortie
- Brève histoire de l'informatique
Ce que tu vas réviser
- Modèle d'architecture Von Neumann (processeur, mémoire, bus)
- Système d'exploitation : gestion des processus et de la mémoire
- Interface en ligne de commande (shell, fichiers, permissions)
- Périphériques d'entrée et de sortie
- Brève histoire de l'informatique (introduction transversale)
Architecture de von Neumann
C'est le modèle de base de tous les ordinateurs : un processeur exécute des instructions stockées en mémoire, communiquant via un bus (autoroute de données). Ce modèle date de 1945 et est toujours utilisé aujourd'hui.
Exemple
Ton smartphone fonctionne exactement comme ça : le processeur lit une instruction depuis la RAM (ex. : afficher l'écran), l'exécute, puis passe à la suivante. C'est comme suivre une recette de cuisine étape par étape.
À retenir : Modèle de von Neumann : un processeur (unité arithmétique et logique + unité de commande, avec ses registres), une mémoire qui contient programmes et données, des entrées-sorties, et des bus qui relient le tout.
Le processeur : cerveau de l'ordinateur
Le processeur (CPU) est le composant qui exécute toutes les instructions. Il lit des données depuis la mémoire, les traite, et envoie les résultats. Sa fréquence d'horloge se mesure en GHz (milliards de cycles par seconde) ; elle influe sur sa rapidité, avec d'autres facteurs comme le nombre de cœurs.
Exemple
Si tu joues à un jeu vidéo, le processeur calcule en permanence la position des personnages, les collisions, les sons, etc. Plus le processeur est rapide, plus le jeu tourne fluidement.
À retenir : Le processeur exécute les instructions au rythme d'une horloge dont la fréquence se mesure en GHz.
Mémoire et bus de communication
La mémoire RAM stocke temporairement les données et instructions en cours d'utilisation. Le bus est le canal qui relie le processeur, la mémoire et les périphériques pour qu'ils échangent des données.
Exemple
La RAM, c'est comme un bureau : on y pose les papiers sur lesquels on travaille actuellement. Le bus, c'est comme la main qui transporte ces papiers entre le bureau (mémoire) et le cerveau (processeur).
À retenir : RAM = stockage temporaire rapide ; bus = autoroute de données entre les composants.
Système d'exploitation : gestionnaire des ressources
Le système d'exploitation (Windows, macOS, Linux) est un programme spécial qui gère tous les autres programmes, la mémoire, et les périphériques. Il permet à plusieurs applications de fonctionner en même temps.
Exemple
Sur ton téléphone, le système d'exploitation (Android ou iOS) permet à YouTube et à Spotify de tourner en même temps sans qu'un des deux s'arrête. C'est lui qui organise et partage les ressources.
À retenir : Le système d'exploitation = chef d'orchestre qui organise tous les programmes et les ressources.
Gestion des processus
Un processus est une instance d'un programme en cours d'exécution. Le système d'exploitation doit gérer plusieurs processus simultanément en les faisant tourner à tour de rôle très rapidement (multitâche).
Exemple
Tu regardes une vidéo en streaming, tu télécharges un fichier et tu écoutes de la musique en même temps. Sur un même cœur, ce n'est pas vraiment simultané : le processeur bascule très rapidement entre les tâches (des milliers de fois par seconde) ; un processeur à plusieurs cœurs peut, lui, en exécuter plusieurs en parallèle.
À retenir : Le multitâche = le processeur alterne rapidement entre plusieurs processus pour donner l'impression qu'ils tournent ensemble.
Gestion de la mémoire
Le système d'exploitation doit répartir la RAM entre tous les programmes actifs, et gérer les zones disponibles ou occupées. Si tu manques de RAM, le système utilise le disque dur (plus lent).
Exemple
Si tu ouvres trop de programmes, tu verras ton ordinateur ralentir parce que la RAM est pleine. Windows ou macOS bascule alors des données sur le disque dur, qui est beaucoup plus lent.
À retenir : La gestion de mémoire = partager la RAM entre les programmes, sans qu'un programme n'envahisse la place des autres.
Shell et interface en ligne de commande
Le shell (ou terminal) est une interface textuelle pour communiquer directement avec le système d'exploitation en écrivant des commandes. Elle permet d'automatiser des tâches et d'accéder à des fonctions avancées, plus rapidement qu'avec une interface graphique (souris/fenêtres).
Exemple
Au lieu de cliquer sur des dossiers avec la souris, tu tapes « cd Documents » pour naviguer. Les développeurs utilisent souvent le terminal pour aller plus vite et accéder à des fonctionnalités avancées.
À retenir : Le shell = interface textuelle pour contrôler l'ordinateur avec des commandes tapées au clavier.
Système de fichiers et permissions
Le système de fichiers organise les données sur le disque en fichiers et dossiers. Les permissions (lecture, écriture, exécution) contrôlent qui peut faire quoi avec chaque fichier.
Exemple
Tu peux paramétrer un fichier pour que ton ami puisse le lire mais pas le modifier. Sur un ordinateur partagé en famille, l'admin crée des comptes avec des permissions différentes pour protéger les fichiers importants.
À retenir : Les permissions protègent les fichiers en contrôlant qui peut les lire, modifier ou exécuter.
Périphériques d'entrée et de sortie
Les périphériques permettent à l'ordinateur de communiquer avec le monde extérieur. Entrée (clavier, souris, capteurs), sortie (écran, haut-parleur, imprimante). Le système d'exploitation gère tous les pilotes.
Exemple
Quand tu cliques avec ta souris, le périphérique envoie un signal à l'ordinateur. Quand tu regardes un film, c'est l'inverse : l'ordinateur envoie l'image à l'écran et le son aux haut-parleurs.
À retenir : Entrée (données vers l'ordinateur) et sortie (données depuis l'ordinateur) = dialogue avec l'extérieur.
Brève histoire de l'informatique
L'informatique vient des années 1940-50 avec les premiers ordinateurs énormes (ENIAC). Le modèle de von Neumann (1945) est à la base de tous les ordinateurs modernes. Les progrès : miniaturisation, augmentation de puissance, démocratisation.
Exemple
Dans les années 1970, un ordinateur pouvait occuper une armoire entière et coûter très cher. Aujourd'hui, tu as dans ta poche un téléphone bien plus puissant. Cette évolution est liée à la loi de Moore (le nombre de transistors sur une puce double environ tous les 2 ans).
À retenir : Architecture de von Neumann (1945) = base de tous les ordinateurs ; évolution constante vers plus petit et plus puissant.
Les points clés
- Architecture de von Neumann (1945) : processeur (UAL + unité de commande + registres), mémoire, entrées-sorties, reliés par des bus
- Processeur exécute les instructions au rythme d'une horloge (fréquence en GHz = milliards de cycles par seconde)
- RAM = mémoire rapide et temporaire ; bus = canal de communication entre composants
- Système d'exploitation = gestionnaire des processus, de la mémoire et des périphériques
- Multitâche = le processeur alterne rapidement entre les processus (time-slicing)
- Shell = interface textuelle pour contrôler l'ordinateur ; pratique pour automatiser des tâches
- Permissions = lecture (r), écriture (w), exécution (x) pour protéger les fichiers
- Périphériques = entrée (clavier, souris) et sortie (écran, haut-parleur)
- Loi de Moore : doublement du nombre de transistors sur une puce environ tous les 2 ans (historiquement)
L'essentiel
Un ordinateur moderne suit le modèle de von Neumann (1945) : le processeur exécute des instructions depuis la mémoire via un bus, le tout géré par un système d'exploitation qui partage les ressources entre les programmes.
Exercices d'entraînement
Entraîne-toi sur ces exercices, puis fais-toi corriger pas à pas par le tuteur.
Exercice 1
Explique pourquoi ton ordinateur ralentit quand tu ouvres trop de programmes. Quel composant du modèle de von Neumann est limité ? Que fait le système d'exploitation pour compenser ?
Corrige cet exercice avec le tuteur →Exercice 2
Sur un ordinateur sous Linux, ton professeur veut que ses élèves (catégorie « autres ») puissent lire les fichiers du dossier « /home/prof/controles », mais pas les modifier ni en ajouter. Quelles permissions faut-il donner aux fichiers et au dossier ? Explique brièvement.
Corrige cet exercice avec le tuteur →