Entrées/sorties et stockage

Denis Dréano
ARCH-03

Entrées/sorties et stockage

Objectifs cantonaux : O3.1, O3.2.

Cours complet sur la plateforme Runestone de Cédric Donner : Entrées/sorties et périphériques.

! Remarque

Le jeudi de cette semaine tombe sur la Fête-Dieu (congé) : la séance du jeudi n’a pas lieu. Cette page couvre donc à elle seule tout le contenu prévu pour la semaine.

Suite de l’architecture de l’ordinateur : après les composants internes, on s’intéresse aux périphériques qui permettent à l’ordinateur de communiquer avec l’extérieur, et à la manière dont matériel, système d’exploitation et applications interagissent.

Entrées, sorties, périphériques

▷ Définitions

Entrée
Donnée qui entre dans l’ordinateur (donc en RAM) pour être traitée.
Sortie
Donnée qui sort de l’ordinateur, après traitement.
Périphérique
Composant qui étend les fonctionnalités de base de l’ordinateur. Les composants essentiels vus la semaine dernière (CPU, RAM, carte mère) ne sont pas des périphériques : ils ne rajoutent rien, ils constituent l’ordinateur lui-même.

▷ Périphériques d’entrée et de sortie

Périphérique d’entrée
Introduit des données dans l’ordinateur pour qu’elles soient traitées : clavier, souris, microphone, scanner, capteur, manette de jeu.
Périphérique de sortie
Restitue les données traitées par l’ordinateur : écran, haut-parleurs, imprimante.
Périphérique mixte (entrée et sortie)
Certains périphériques jouent les deux rôles à la fois : un écran tactile (sortie pour l’affichage, entrée pour le toucher), une carte son (sortie vers des haut-parleurs, entrée depuis un micro), un disque externe (on y lit et on y écrit des données).
→ Exemple — classer quelques périphériques
Périphérique Entrée Sortie
Clavier ✓
Écran ✓
Carte son (micro + haut-parleurs) ✓ ✓
Imprimante ✓
Scanner ✓
Carte réseau (envoi et réception) ✓ ✓

Cartes d’extension

Au-delà des périphériques externes, certaines cartes s’insèrent directement dans la carte mère pour ajouter des capacités spécialisées :

▷ Exemples de cartes d’extension

Carte graphique (GPU)
Processeur spécialisé dans le calcul et l’affichage d’images 2D/3D et de vidéos. Massivement parallèle (nombreux calculs simples en même temps), contrairement au CPU, plutôt séquentiel (une instruction à la fois). Très utilisée aussi pour les calculs d’intelligence artificielle.
Carte son
Génère et capte des sons ; périphérique à la fois d’entrée (micro) et de sortie (haut-parleurs, casque).
Carte réseau
Interface entre l’ordinateur et un réseau (câble ou Wi-Fi) ; à la fois d’entrée (réception de données) et de sortie (envoi de données).

Qui pilote quoi : matériel, système d’exploitation, applications

Un périphérique branché ne fonctionne pas tout seul : il faut un logiciel qui sache comment communiquer avec lui.

▷ Définition — Pilote (driver)

Un pilote (driver) est un logiciel qui permet au système d’exploitation de communiquer avec un périphérique matériel précis (imprimante, carte graphique, …). Sans le bon pilote installé, le système d’exploitation ne sait pas exploiter les capacités du périphérique, même s’il est correctement branché.

Trois niveaux interagissent en permanence :

  • le matériel (hardware) exécute physiquement les opérations ;
  • le système d’exploitation, via ses pilotes, sait dialoguer avec ce matériel et en gère l’accès partagé entre applications ;
  • les applications demandent des services au système d’exploitation (afficher quelque chose, lire un fichier, …) sans avoir à connaître les détails du matériel sous-jacent.

Le système d’exploitation sera étudié plus en détail la semaine prochaine.

Diagnostiquer un problème de performance

Savoir associer un ralentissement au bon composant est une compétence pratique utile, par exemple pour choisir quel composant améliorer sur un ordinateur.

→ Exemple 1 — chargement lent d’une vidéo

Un logiciel de montage vidéo met très longtemps à charger un gros fichier vidéo. Le problème vient très probablement du support de stockage : un disque dur mécanique (HDD) est nettement plus lent qu’un SSD pour ce type d’accès.

→ Exemple 2 — rendu vidéo lent

Le rendu final d’un montage vidéo est lent malgré un support de stockage rapide. Ici, ce sont plutôt le CPU (qui effectue les calculs de traitement) et la RAM (sans laquelle le CPU ne peut rien traiter) qui sont en cause. Si le logiciel sait exploiter la carte graphique, un GPU plus puissant peut aussi accélérer fortement le rendu.

→ Exemple 3 — jeu vidéo saccadé

Un jeu vidéo devient saccadé quand on augmente la qualité graphique. Le composant à améliorer en priorité est le GPU : les graphismes (rendu 3D, effets, éclairage) sont calculés sur la carte graphique, spécialisée pour ce type de calcul massivement parallèle, et non sur le CPU.

Mémoire vive vs stockage permanent

! Ne pas confondre RAM et stockage de masse

Caractéristique RAM Stockage de masse (HDD/SSD)
Rapidité Très élevée Beaucoup plus lente
Prix au Go Élevé (~5.-/Go) Faible (~0.50.-/Go)
Capacité Faible (quelques Go) Élevée (plusieurs centaines/milliers de Go)
Rétention Volatile (perdue hors tension) Permanente
Usage Données et instructions en cours de traitement Documents, système d’exploitation

La différence essentielle à retenir : la RAM est rapide mais volatile (éteindre l’ordinateur efface son contenu), le stockage de masse est plus lent mais persistant. Les supports de stockage eux-mêmes (HDD, SSD) seront détaillés la semaine prochaine.