Informatique A-Level

Les trois systèmes numériques 数制 que vous devez maîtriser :

• décimal 十进制 (base 10) — utilise les chiffres 0 à 9. Les positions valent des puissances de dix.
• binaire 二进制 (base 2) — utilise 0 et 1. Les positions valent des puissances de deux. Chaque octet 字节 contient 8 bits 位.
• hexadécimal 十六进制 (base 16) — utilise 0 à 9 puis A à F pour 10 à 15. Chaque chiffre hexadécimal représente exactement 4 bits.

Conversions

Décimal → binaire : diviser successivement par 2 et noter les restes, lire de bas en haut. Ou soustraire la plus grande position de valeur 位值 (puissance de 2) compatible.

Exemple : $558_{10}$ : $558 = 512 + 32 + 8 + 4 + 2 = 2^{9} + 2^{5} + 2^{3} + 2^{2} + 2^{1}$. Sur 12 bits : 0010 0010 1110.

Binaire → hexadécimal : regrouper les bits en nibbles 半字节 (4 bits) depuis la droite et convertir chacun. 0010 0010 1110 → 2 2 E → 22E.

Hexadécimal → binaire : remplacer chaque chiffre hexadécimal par son motif sur 4 bits. Hexadécimal → décimal : multiplier chaque chiffre par sa position de valeur. 22E $= 2 \times 256 + 2 \times 16 + 14 = 558$.

Exemple résolu. Convertir le décimal 200 en binaire sur 8 bits, puis en hexadécimal.

$200 = 128 + 64 + 8$, donc le binaire est 11001000. En nibbles, 1100 1000 $= 12$ et $8$, soit $\text{C}$ et $8$, ainsi l'hexadécimal est C8.

Combien de bits ?

Les questions d'examen fixent la largeur du registre 寄存器宽度 (8, 12 ou 16 bits). Remplir avec des zéros de tête jusqu'à cette largeur : $558$ sur 12 bits est 0010 0010 1110, jamais 10 0010 1110.

Pour trouver le nombre minimum de bits nécessaires pour stocker une valeur, déterminer quelles positions de valeur sont requises :

• un entier non signé de $0$ à $2^{n} - 1$ nécessite $n$ bits : $200$ nécessite 8 bits (le maximum est $255$), $1000$ nécessite 10 bits (le maximum est $1023$), $16$ nécessite 5 bits (4 bits s'arrêtent à $15$).
• un entier signed à complément à deux de $-2^{n-1}$ à $2^{n-1} - 1$ nécessite $n$ bits : $-200$ nécessite 9 bits, car 8 bits s'arrêtent à $-128$.
• un chiffre hexadécimal nécessite 4 bits, un chiffre BCD nécessite 4 bits, et un caractère ASCII nécessite 7 bits (8 pour l'ASCII étendu).

Préfixes binaires vs décimaux

Deux familles de préfixes ressemblent mais diffèrent — décimal (puissances de 10) et binaire (puissances de 2) :

Ainsi, un tébibyte (TiB) est légèrement supérieur à un téraoctet (To). Un disque « 1 To » contient $10^{12}$ octets, mais un système d'exploitation qui affiche en TiB montrera un nombre plus faible.

Addition binaire

Ajouter colonne par colonne de droite à gauche, en reportant comme en décimal :

Débordement 溢出 se produit lorsque le résultat nécessite plus de bits que le registre 寄存器 ne peut contenir — le report sortant de la colonne la plus à gauche est le bit de débordement.

Exemple résolu. Ajouter les entiers non signés sur 8 bits $10110101$ et $01101100$, et commenter le résultat.

$10110101 + 01101100 = 1\,00100001$. La réponse nécessite 9 bits, elle ne tient donc pas dans un registre sur 8 bits : un débordement s'est produit. Une réponse complète nomme l'erreur et explique pourquoi, en utilisant la taille de mot donnée par la question : « Débordement : le résultat exact ($289$) est supérieur à la valeur maximale qu'un registre sur 8 bits peut contenir ($255$), donc le report sortant du bit de poids fort est perdu et le résultat stocké ($00100001 = 33$) est incorrect. »

Soustraction binaire

La méthode habituelle est l'addition en complément à deux 补码 : pour effectuer $A - B$, former le complément à deux de $B$ (inverser chaque bit et ajouter 1), puis additionner, et ignorer tout report final sortant.

Pour soustraire $00011110$ à $01100100$ (entier non signé sur 8 bits) :

• complément à deux de $00011110$ : inverser → $11100001$, ajouter 1 → $11100010$.
• additionner à $01100100$ : résultat $1\,01000110$ (9 bits) — ignorer le 1 initial → $01000110 = 70_{10}$. Vérification : $100 - 30 = 70$. ✓

Entiers signés en complément à deux

Dans un nombre en complément à deux sur $n$ bits :

• le bit de poids fort 最高有效位 (MSB) est le bit de signe 符号位 : 0 = positif, 1 = négatif.
• pour lire un nombre négatif : inverser chaque bit, ajouter 1, puis changer le signe.

Donc $11100010$ est négatif ; inverser → $00011101$, ajouter 1 → $00011110 = 30$, c'est donc $-30$. C'est un entier signé 有 signed integer (contrairement à un non signé 无 signed one). La plage pour $n$ bits est $-2^{n-1}$ à $+2^{n-1} - 1$ ; pour 8 bits, $-128$ ($10000000$) à $+127$ ($01111111$).

Les mêmes bits signifient des nombres différents selon la convention de lecture. En tant qu'entier non signé, chaque bit est une valeur de position, donc 8 bits vont de $0$ à $255$ ; en tant qu'entier signé en complément à deux, le bit de poids fort est le signe, donc les mêmes 8 bits vont de $-128$ à $+127$. Le motif $11111111$ est $255$ lu d'une manière et $-1$ de l'autre — rien dans les bits eux-mêmes ne dit lequel.

Le même octet lu en non signé et en signé : seule l'interprétation convenue les distingue Complément à deux sur 8 bits : le bit de signe divise la plage entre négatif ($-128$ à $-1$) et positif ($0$ à $127$)

Exemple résolu. Quelle valeur décimale représente le nombre en complément à deux sur 8 bits $10110100$ ?

Le MSB est 1, donc il est négatif. Inverser → $01001011$, ajouter 1 → $01001100 = 76$, donc la valeur est $-76$. Vérification avec les valeurs positionnelles : $-128 + 32 + 16 + 4 = -76$.

Exemple résolu. Écrire $-108$ comme un entier en complément à deux sur 12 bits.

Commencez par $+108$ sur 12 bits : $108 = 64 + 32 + 8 + 4$, donc 0000 0110 1100. Inversez chaque bit : 1111 1001 0011. Ajoutez 1 : 1111 1001 0100. Vérifiez avec les valeurs de position, où le bit de poids fort vaut $-2^{11} = -2048$ : $-2048 + 1024 + 512 + 256 + 128 + 16 + 4 = -108$. ✓

Pour 12 bits, la plage va de $-2048$ (1000 0000 0000) à $+2047$ (0111 1111 1111). Les questions demandant les valeurs minimale et maximale cherchent ces deux motifs, apprenez donc la règle : le nombre le plus négatif est un 1 suivi de zéros ; le plus positif est un 0 suivi de uns.

Un décalage arithmétique 算术移位 déplace tous les bits vers la gauche ou la droite tout en conservant le signe : un décalage d'une place vers la droite divise la valeur par deux et recopie le bit de signe dans l'espace vide à gauche, donc un nombre négatif reste négatif (1111 1001 0100 décalé de trois places vers la droite donne 1111 1111 0010, qui est $-14$ : $-108 / 8 = -13.5$, et un décalage vers la droite arrondit vers le bas). Un décalage vers la gauche double la valeur. Les décalages font partie du jeu d'instructions assembleur dans le sujet 4, mais cette question porte sur le calcul numérique ici.

Le débordement en arithmétique signée survient lorsque le résultat exact sort de cette plage — repéré lorsque le bit de signe change faussement (deux positifs donnant un négatif, ou deux négatifs donnant un positif).

Complément à un

Avant le complément à deux, un ancien schéma appelé complément à un 反码 représentait un nombre négatif en simplement inversant tous les bits du positif — il n'y a pas d'étape « ajouter 1 ».

• $+30 = 00011110$, donc en complément à un $-30 = 11100001$ (juste l'inverse).
• Inconvénient : il possède deux zéros — $00000000$ ($+0$) et $11111111$ ($-0$) — ce qui gaspille un motif de bits et rend l'arithmétique fastidieuse.

Le complément à deux (inverser et ajouter 1) élimine le zéro négatif : il possède un seul zéro et permet aux additions et soustractions d'utiliser le même circuit. C'est pourquoi les ordinateurs modernes stockent les entiers signés en complément à deux, et non en complément à un.

En BCD 二进码十进数, chaque chiffre décimal est écrit sous sa propre forme de 4 bits. Le nombre $93$ est 1001 0011 en BCD — pas le binaire 93 ($01011101$). Chaque demi-octet n'utilise que 0–9 ; les motifs $1010$–$1111$ sont invalides.

Lecture BCD : 0010 0111 0101 → 2, 7, 5 → 275.

Utilisation : calculatrices, horloges numériques et appareils affichant des chiffres décimaux — chaque chiffre commande un 7-segments afficheur 七段显示器. Le code de devise utilise souvent le BCD pour éviter les erreurs d'arrondi liées à la conversion de fractions telles que 0.1 en binaire.

Une réponse « justifier » doit relier l'utilisation à une propriété du BCD : chaque chiffre décimal a ses propres 4 bits, donc un chiffre peut être envoyé directement à son afficheur, ou ajouté chiffre par chiffre, sans conversion de tout le nombre ; et une fraction décimale telle que $0.10$ est stockée exactement, ce qu'une fraction binaire ne peut pas faire.

L'hexadécimal est une façon compacte d'écrire du binaire (1 chiffre hexa = 4 bits) :

• adresses mémoire 内存地址 en programmation bas niveau — 0x7FFE.
• valeurs de couleur en HTML/CSS — #FF8800.
• adresses MAC — AC:DE:48:00:11:22.

L'hexadécimal ne modifie pas les données stockées — il rend simplement le binaire plus facile pour les humains.

Les ordinateurs stockent le texte sous forme de nombres ; chaque caractère a un code point 码point défini par un ensemble de caractères 字符集.

ASCII

• ASCII utilise 7 bits — 128 code points. Lettres latines de base, chiffres, ponctuation et codes de contrôle.
• ASCII étendu utilise 8 bits — 256 code points ; les 128 inférieurs correspondent à ASCII, les 128 supérieurs varient selon la région.

Unicode

• Unicode est un ensemble de caractères universel couvrant presque tous les systèmes d'écriture, ainsi que des symboles et des émojis.
• encodages 编码 courants : UTF-8 (1 à 4 octets, compatible ASCII), UTF-16 (2 ou 4 octets), UTF-32 (fixe 4 octets).

Pourquoi Unicode bat ASCII

• il représente beaucoup plus de caractères (tous les systèmes d'écriture, émojis) ; ASCII ne couvre que l'anglais de base.
• les fichiers sont portables sans confusion de page de code, et permettent le texte multilingue dans un même document.
• compromis : les fichiers Unicode sont généralement plus gros pour un texte en anglais uniquement.

Lorsqu'une question demande les différences, donnez-les par paires avec des chiffres : ASCII utilise 7 bits (ASCII étendu 8), donc 128 (256) caractères ; Unicode utilise jusqu'à 32 bits (UTF-8 utilise 1 à 4 octets), donc plus d'un million de code points. ASCII ne couvre que l'anglais de base ; Unicode couvre tous les systèmes d'écriture, et ses 128 premiers code points sont ceux d'ASCII. En UTF-8, une lettre anglaise prend toujours 1 octet, donc un nom de fichier anglais de 40 lettres fait 40 octets en ASCII et en UTF-8, tandis qu'un caractère chinois en prend 3.

Une image bitmap 位图 (aussi appelée image matricielle) stocke la couleur de chaque pixel 像素 dans une grille. Au début du fichier, un en-tête de fichier 文件头 enregistre les métadonnées de l'image — sa largeur, sa hauteur et sa profondeur de couleur — pour que le logiciel sache comment lire les données de pixels qui suivent.

• résolution d'image 图像分辨率 : la taille propre de la bitmap, largeur × hauteur en pixels (ex. 1920 × 1080).
• résolution d'écran 屏幕分辨率 : la largeur × hauteur que l'affichage peut montrer. Si la résolution d'une image est supérieure à celle de l'écran, elle est mise à l'échelle pour s'adapter ; une image basse résolution paraît pixelisée lorsqu'elle est étirée sur un écran haute résolution.
• profondeur de couleur 颜色深度 (profondeur de bits 位深度) : bits par pixel. 1 bit → noir/blanc ; 8 bits → 256 couleurs ; 24 bits → 16.7 millions ("vraie couleur").

Taille du fichier

Diviser par 8 pour obtenir des octets, par 1024 pour des KiB, etc. Exemple : une image de $3000 \times 2000$ à 24 bpp fait $3000 \times 2000 \times 24 = 1.44 \times 10^{8}$ bits $\approx 17.2\ \text{MiB}$.

Indiquer les unités utilisées. La grille acceptera $1\ \text{MB} = 10^{6}$ octets (le préfixe SI) ou $1\ \text{MiB} = 1024 \times 1024$ octets (le préfixe binaire), tant que votre calcul montre lequel ; la même image fait $18.0\ \text{MB}$ ou $17.2\ \text{MiB}$. Ajoutez la taille de l'en-tête de fichier si la question en fournit une.

Une vidéo est une séquence d'images bitmap, chaque image étant un frame 帧. Avant compression, sa taille correspond à la taille d'une frame $\times$ le frame rate 帧率 (images par seconde) $\times$ la durée en secondes : 30 images par seconde de $1920 \times 1080$ pixels à 24 bits correspondent à $30 \times 1920 \times 1080 \times 24 \approx 1.5 \times 10^{9}$ bits, soit environ $187\ \text{MB}$, pour chaque seconde. C'est pourquoi la vidéo est toujours compressée.

Modification des paramètres

• résolution plus faible → fichier plus petit, moins de détails (aspect flou ou pixelisé lors du zoom).
• profondeur de couleur plus faible → fichier plus petit, mais les dégradés lisses présentent des bandes de couleur.
• augmented de l'un ou l'autre → fichier plus grand, meilleure qualité.

Un graphisme vectoriel 矢量图形 stocke les instructions 用于绘制图像的指令作为 drawing list 绘图列表 — une liste ordonnée de drawing objects 绘图对象 (géométriques primitives 图元 : lignes, courbes, polygones, cercles). Chaque objet de dessin possède des properties 属性 telles que la couleur, le remplissage, l'épaisseur de ligne et la position (coordonnées). Pour l'afficher, le programme renders 渲染 la liste de dessins à n'importe quelle résolution requise.

Bitmap vs vectoriel

Avantage vectoriel : il scales without losing quality — un logo vectoriel reste net à n'importe quelle taille, tandis qu'un bitmap devient flou lors du zoom. Inconvénient vectoriel : il ne peut pas décrire un détail arbitraire au niveau des pixels (photographies).

Une réponse "justify" relie le choix à la tâche. "Le logo doit apparaître sur une carte de visite et sur un panneau publicitaire, c'est donc qu'il devrait être un graphisme vectoriel : il est stocké comme des objets de dessin et est re-rendered sharply at any size, whereas a bitmap would show its pixels when enlarged." Pour une photographie, l'argument va dans l'autre sens : il n'y a pas de formes à décrire, donc la couleur de chaque pixel doit être stockée.

Une onde continue de analogue data 模拟数据 (le son) est convertie en digital data 数字数据 par sampling 采样 :

• sampling rate 采样率 — échantillons par seconde (Hz). La qualité CD est $44.1\ \text{kHz}$.
• sampling resolution 采样分辨率 (bit depth) — bits par amplitude amplitude 振幅 d'un échantillon. La qualité CD est de 16 bits.

Taille du fichier

Un extrait stéréo CD de 10 secondes : $44100 \times 16 \times 10 \times 2 = 14\,112\,000$ bits $\approx 1.68\ \text{MiB}$.

Modification des paramètres

• sampling rate plus élevé → capte les hautes fréquences, fichier plus grand.
• sample resolution plus élevée → étapes d'amplitude plus fines, moins de bruit de quantisation 量化, fichier plus grand.
• réduction de l'un ou l'autre → fichier plus petit, perte de qualité claire.

(Le taux d'échantillonnage doit être au moins le double de la fréquence la plus haute que vous souhaitez conserver.)

Compression 压缩 réduit la taille du fichier, économisant l'espace de stockage et la bandwidth 带宽 de transmission. Deux types :

• lossless 无损 — les données d'origine sont récupérées exactement (textes, programmes, ZIP/PNG).
• lossy 有损 — certains détails sont supprimés pour obtenir des fichiers beaucoup plus petits (JPEG, MP3, vidéo).

Quand utiliser lequel

• lossless pour les documents, le code source, les images médicales — tout ce qui nécessite des données exactes.
• lossy pour le streaming multimédia. Le Real-time video streaming utilise une compression lossy car il doit envoyer d'énormes quantités de données en temps réel sur une bande passante limitée ; une compression lossless ne la réduirait pas suffisamment. Une vidéo HD brute pèse des gigaoctets par minute, donc sans compression, l'image resterait constamment figée.

Une réponse "justify" nomme la méthode, puis la raison tirée de la situation : "Lossless, parce que le tableur doit être restauré exactement ; une seule valeur modifiée rendrait les comptes incorrects." Ou : "Lossy, parce que les photographies sont visionnées sur un écran de téléphone où les détails perdus ne sont pas visibles, et que les fichiers plus petits s'envoient plus vite et occupent moins de stockage."

Méthodes lossless

• run-length encoding 行程编码 (RLE) : stocker "les $n$ valeurs suivantes sont $x$" au lieu de répéter $x$. Idéal pour les zones planes ; inutile pour les données bruyantes.
• dictionary methods 字典编码 (ZIP, PNG) : remplacer les séquences d'octets répétées par une référence courte. Bon pour le texte et le code.
• Huffman coding 霍夫曼编码 : attribuer des codes courts aux symboles fréquents et des codes longs aux symboles rares, ramenant la longueur moyenne du code près de l'entropy 熵 des données.

Comment chaque type de fichier est compressé :

• fichier texte : les méthodes de dictionnaire et le codage Huffman transforment les mots et caractères fréquents en codes courts. Le texte doit rester lossless, car un seul caractère modifié change le sens.
• image bitmap : RLE pour les suites de pixels identiques (icônes, diagrammes, numérisations noir et blanc) ; JPEG lossy pour les photographies, ou une profondeur de couleur ou une résolution inférieure.
• graphisme vectoriel : la liste de dessins est déjà petite ; supprimer les objets de dessin inutiles, réduire le nombre de décimales des coordonnées, ou appliquer une méthode lossless comme ZIP au fichier.
• fichier audio : MP3 ou AAC lossy supprime ce que l'oreille ne peut entendre ; un taux ou une résolution d'échantillonnage inférieurs sont également lossy ; les formats lossless conservent chaque échantillon et réduisent le fichier bien moins.

Méthodes lossy

• images (JPEG) : supprimer les détails fins et les différences de couleur que l'œil voit à peine.
• sound (MP3, AAC) : supprimer les hautes fréquences que nous entendons moins bien, et les sons faibles cachés par des sons plus forts.
• video combine la compression spatial 空间 (dans chaque frame, comme JPEG) avec la compression temporal 时间 (la plupart des frames ne stockent que les différences par rapport à la frame précédente).

Une question de définition est notée selon un libellé fixe. Apprenez-les exactement et ne donnez qu'une seule réponse.

• Montrer le calcul pour les conversions de base : décimal → binaire par positions, binaire → hexadécimal en nibbles (groupes de 4 bits).
• Pour two's complement le MSB est négatif ; pour négater, invert and add 1 ; faire attention à l'overflow lorsque le bit de signe bascule mal.
• Distanguer bitmap (pixels ; taille de fichier $=$ largeur $\times$ height $\times$ colour depth) de vector (commandes de dessin ; scales without loss).
• La taille du fichier sonore dépend de sample rate $\times$ bit depth $\times$ temps — plus de chacun signifie une meilleure qualité mais un fichier plus grand.
• Comparez la compression sans perte vs avec perte et donnez un usage pour chacun.

Erreurs courantes

• Expliquer un dépassement de capacité avec « la réponse était supérieure à 255 » ou « elle a 9 bits ». Indiquez la taille de mot donnée par la question, puis précisez que le résultat ne peut pas être représenté dans cette taille.
• Créer un nombre négatif en positionnant le bit de poids fort à 1 et en laissant le reste (signe et magnitude). En complément à deux, il faut inverser chaque bit de la valeur positive, puis ajouter 1.
• Oublier d'ajouter des zéros de remplissage à un nombre converti pour atteindre la largeur du registre demandée par la question.
• Mélanger les bits et les octets dans un calcul de taille de fichier. Travaillez en bits, divisez par 8 une seule fois, et précisez si vous avez utilisé 1000 ou 1024.
• Répondre à « décrire » en langage courant (« l'image devient pire »). Utilisez les termes du programme : moins de couleurs, banding, résolution d'image plus faible, pixels plus grands.

Un réseau 网络 est un ensemble de dispositifs informatiques connectés afin qu'ils puissent communiquer et partager des ressources. Avantages :

• partage de ressources (imprimantes, serveurs de fichiers, internet) — moins cher que d'équiper chaque ordinateur individuellement.
• partage de données — plusieurs utilisateurs accèdent aux mêmes fichiers.
• gestion centralisée — installer des logiciels, gérer les utilisateurs et effectuer des sauvegardes une seule fois sur un serveur.
• communication — e-mail, appels vidéo, messagerie.
• accès à distance — travailler depuis n'importe où.

Un réseau local 局域网 (LAN) couvre une petite zone — une maison, un bureau ou une école, généralement propriété de l'organisation, avec des débits élevés et une faible latence 延迟.

Un réseau étendu 广域网 (WAN) couvre une grande zone — une ville, un pays ou le monde (Internet est le plus grand WAN). Il utilise l'infrastructure d'un opérateur de télécommunications — souvent le Réseau téléphonique public commuté 公共交换电话网 (PSTN), des lignes louées ou la fibre — avec des débits inférieurs et une latence plus élevée. Un WAN connecte plusieurs LAN entre eux.

Pour « citez deux caractéristiques d'un LAN » : il couvre une petite zone géographique (un site ou un bâtiment) ; le matériel appartient à l'organisation et n'est pas loué chez un opérateur ; il se connecte via ses propres commutateurs, câbles et points d'accès. Pour « deux façons dont un WAN diffère » : il couvre une grande zone géographique ; il utilise une infrastructure tierce (louée ou publique) ; les débits sont plus faibles et la latence plus élevée ; il relie généralement plusieurs LAN. Une école sur un seul site est un LAN ; une entreprise avec des bureaux dans deux villes a besoin d'un WAN, avec une ligne louée ou Internet reliant les sites. Justifiez votre choix en fonction de la zone couverte et de la propriété des liens.

Client-serveur

• Des machines puissantes agissent comme des serveurs 服务器, fournissant des services (fichiers, pages web, e-mail).
• D'autres machines sont des clients 客户端 qui sollicitent ces services.
• Centralisé et facile à gérer, mais le serveur constitue un point unique de défaillance sauf s'il est sauvegardé.

Pair-to-pair (P2P)

• Toutes les machines sont des pairs 对等网络 égaux ; chacune peut être à la fois client et serveur (pair-to-pair 对等网络).
• Les ressources sont réparties parmi les pairs — aucun serveur central. Robuste face à une panne unique, mais plus difficile à maintenir sécurisé et cohérent.

Choix d'un modèle. Le client-serveur convient à une école ou une entreprise : les fichiers sont stockés et sauvegardés centralement, un utilisateur se connecte avec un compte unique depuis n'importe quelle machine, les logiciels et la sécurité sont gérés une seule fois, et le serveur peut être une machine puissante. Les inconvénients sont le coût du serveur et d'un technicien, ainsi que le fait que le serveur soit un point unique de défaillance. Le pair-to-pair convient à quelques amis partageant des fichiers ou à un jeu : pas de serveur à acheter, facile à configurer, et chaque utilisateur garde le contrôle de sa propre machine. Les inconvénients mentionnés par le sujet : les fichiers sont dispersés sur plusieurs machines, rendant la sauvegarde difficile et un fichier indisponible lorsque la machine de son propriétaire est éteinte ; chaque machine doit être sécurisée séparément ; et un pair servant les autres ralentit le système. Un jeu en ligne joué via un navigateur Web avec d'autres utilisateurs suit le modèle client-serveur : le navigateur est le client, et le jeu ainsi que son monde virtuel partagé tournent sur le serveur de l'entreprise, qui maintient la cohérence de la vue de chaque joueur.

Un client fin 瘦 client effectue peu de traitement localement et repose sur un serveur puissant (terminaux Web, bureautique distante). Un client épais 胖 client dispose d'un puissant traitement local et de stockage et exécute lui-même des applications complètes (un PC de bureau standard).

Les rôles : dans un modèle de client fin, le serveur effectue le traitement et stocke les données, et le client n'envoie que les entrées et affiche les sorties. Un terminal bon marché suffit, et tout est sauvegardé et mis à jour sur le serveur, mais rien ne fonctionne si le réseau ou le serveur tombe en panne. Dans un modèle de client épais, le client exécute le logiciel et stocke les fichiers lui-même, ce qui lui permet de fonctionner sans connexion réseau et réduit la charge sur le serveur, au prix de clients plus puissants (et plus coûteux) qui doivent chacun être mis à jour et sécurisés. Une salle d'informatique scolaire peut utiliser des clients fins (bon marché, gestion centralisée) ; un éditeur vidéo a besoin d'un client épais.

La topologie 拓扑 désigne la disposition des nœuds et des liens.

• bus 总线 — tous les appareils sur un câble partagé unique. Bon marché ; si le bus tombe en panne, tout le LAN s'arrête ; les performances diminuent lorsque plus d'appareils partagent la bande passante 带宽.
• étoile 星形 — chaque appareil est connecté à un commutateur central. La panne d'un appareil n'affecte pas les autres ; la panne du commutateur met tout hors tension. C'est la topologie la plus courante aujourd'hui.
• maillage 网状 — chaque appareil est directement lié aux autres, offrant de multiples chemins. Très tolérante aux pannes 容错 (le trafic est redirigé) mais nécessite beaucoup de câblage.
• hybride — un mélange (une étoile dans chaque bureau, des liens maillés entre les bureaux).

Comment les paquets voyagent dans chaque topologie

Bus : l'appareil émetteur place le paquet sur le câble partagé ; tous les appareils le voient, mais seul celui dont l'adresse correspond le reçoit. Un seul appareil peut transmettre à la fois, donc des collisions peuvent survenir (CSMA/CD, ci-dessous). Étoile : l'expéditeur transmet le paquet au commutateur central, qui lit l'adresse de destination et le transmet uniquement sur le câble menant à cet appareil ; deux autres appareils peuvent parler simultanément. Maillage : le paquet est transmis de nœud en nœud selon l'une des plusieurs routes possibles jusqu'à la destination ; si un lien tombe en panne, une autre route est utilisée.

Pour justifier une topologie : une étoile pour une salle de classe ou un bureau (un câble en panne n'affecte qu'un seul appareil ; un appareil est facile à ajouter ; avec un commutateur, il n'y a pas de collisions) ; un maillage où la fiabilité prime (un hôpital, le backbone d'Internet) ; un bus uniquement où le coût est primordial et peu d'appareils le partagent. « Dessinez la topologie en étoile » signifie : le commutateur au centre, une ligne reliant le commutateur à chaque ordinateur, et le serveur (et le routeur, s'il y en a un) sur leurs propres lignes vers le commutateur.

Le calcul en nuage 云计算 fournit des services informatiques (serveurs, stockage, logiciels) via Internet, hébergés par un tiers. Avantages : évolutivité 可扩展性 (payez ce dont vous avez besoin), coûts réduits, accès depuis n'importe où, et centres de données fiables et redondants. Inconvénients : nécessite Internet, vos données sont détenues par un tiers, et risque de verrouillage fournisseur.

Pour la définition d'une marque : le calcul en nuage consiste à fournir des services informatiques à la demande (stockage, traitement, logiciels) via Internet par un tiers. Un cloud public 公有云 est détenu par un fournisseur et partagé par de nombreux clients via Internet ; un cloud privé 私有云 est dédié à une organisation, sur son propre matériel ou hébergé exclusivement pour elle. Avantages acceptés par le barème : les fichiers sont accessibles depuis n'importe quel dispositif avec une connexion Internet ; le stockage s'adapte en haut et en bas selon les besoins ; le fournisseur gère le matériel, les sauvegardes et les mises à jour de sécurité ; pas de serveur local à acheter ou à maintenir. Inconvénients : aucun accès sans connexion Internet ; les données sont sur le matériel d'un tiers, donc la sécurité et la confidentialité dépendent du fournisseur ; un coût d'abonnement continu ; le fournisseur pourrait faire faillite ou subir une attaque ; les gros fichiers peuvent être lents à transférer. Une réponse à « pourquoi l'entreprise utilise-t-elle un cloud public » indique qu'elle n'a pas besoin de son propre matériel, paie uniquement pour ce qu'elle utilise, et que ses utilisateurs peuvent y accéder depuis n'importe où.

• filaires (Ethernet 以太网 via paires torsadées 双绞线 ou fibre optique 光纤) : vitesse plus élevée, latence plus faible, moins d'erreurs, plus sécurisé.
• sans fil (Wi-Fi, Bluetooth, cellulaires) : pas de câbles, mobilité des appareils, mais plus lent, sensible aux interférences et à l'écoute clandestine.

Pour la même génération, le filaire l'emporte sur la vitesse et la fiabilité ; le sans fil l'emporte sur la commodité.

Médias de transmission

L'examen demande la comparaison dans les deux sens. Le câblé l'emporte sur le sans fil en termes de vitesse, de fiabilité (pas d'interférences), de sécurité (un câble doit être physiquement piraté) et de stabilité ; le sans fil l'emporte sur le câblé en matière de mobilité, de coût d'installation et d'ajout d'un appareil sans câblage. L'utilisation des deux permet aux étudiants de se déplacer avec des ordinateurs portables et des téléphones tout en maintenant des postes fixes offrant une connexion plus rapide et sécurisée, et un appareil sans port réseau peut quand même se connecter. Les satellites remplacent le cuivre pour atteindre des endroits inaccessibles au câblage, mais avec une latence accrue, des interférences météorologiques et un coût plus élevé.

• carte réseau 网络接口卡 (NIC) — permet à un appareil d'envoyer et de recevoir des données sur le réseau ; possède une adresse MAC unique MAC地址 (une adresse matérielle de 48 bits). Un appareil sans fil utilise une carte réseau sans fil 无线网络接口卡 (WNIC).
• commutateur 交换机 — achemine les trames Ethernet uniquement vers le port correspondant à l'adresse MAC de destination.
• concentrateur 集线器 — dispositif plus simple qui copie le trafic vers tous les ports (maintenant obsolète).
• point d'accès sans fil 无线接入点 (WAP) — permet aux clients sans fil de rejoindre un LAN câblé.
• câblage : paire torsadée pour les courtes distances ; fibre optique pour les distances plus longues et plus rapides.
• serveur — ordinateur fournissant un service aux autres appareils : fichiers, impression, pages web, stockage d'e-mails.
• pont 网桥 — relie deux segments LAN en un seul réseau, transférant le trafic entre eux.
• répéteur 中继器 — reçoit un signal affaibli et le retransmet à pleine puissance pour étendre la portée du câble.

Les fonctions d'une WNIC, pour une description de quatre points : elle convertit les données en signaux radio et inversement ; elle porte l'adresse MAC unique de l'appareil ; elle connecte l'appareil à un point d'accès sans fil et suit le protocole sans fil (canal et fréquence utilisés) ; et elle décode les signaux entrants pour l'appareil. Deux dispositifs pouvant physiquement connecter trente ordinateurs avec NIC : un commutateur ou un concentrateur.

Un routeur 路由器 connecte différents réseaux et achemine les données entre eux — généralement à la frontière d'un LAN et d'Internet. Il effectue :

• acheminement — lit l'adresse IP de destination IP地址 de chaque paquet 数据包 et l'envoie par le bon port, en utilisant une table de routage 路由表.
• conversion d'adresses réseau 网络地址转换 (NAT) — permet à de nombreuses adresses LAN privées de partager une seule adresse IP publique.
• DHCP 动态主机配置协议 — distribue des adresses IP privées aux appareils LAN.
• pare-feu 防火墙 — bloque le trafic entrant non souhaité.

Dans le commutation de paquets 分组交换, un message est découpé en paquets envoyés indépendamment. Chaque routeur lit l'adresse IP de destination d'un paquet, recherche le prochain saut dans sa table de routage et l'achemine, de sorte que les paquets d'un même message peuvent emprunter des routes différentes et sont réassemblés dans l'ordre à destination. Un routeur reçoit et achemine effectivement des paquets entre réseaux et distribue des adresses IP ; il ne cherche pas l'adresse IP d'une URL (DNS s'en charge) et ne stocke pas de pages web. Un routeur domestique contient également le modem et le point d'accès sans fil, ainsi un seul boîtier connecte le LAN à Internet.

*Un routeur connecte un LAN à Internet ou à un autre réseau

Ethernet est la norme (protocole) pour les LAN câblés : les appareils sont reliés par des câbles à paire torsadée ou en fibre, les données sont envoyées sous forme de trames contenant les adresses MAC source et de destination, et un support partagé utilise CSMA/CD pour gérer les collisions. Sur les supports partagés, une collision 冲突 peut survenir lorsque deux appareils envoient simultanément. Le protocole est CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) :

1. détection de porteuse — écouter avant d'envoyer ; attendre si le câble est occupé.
2. accès multiple — plusieurs appareils partagent le support.
3. détection de collision — continuer à écouter pendant l'envoi ; un choc est une collision.
4. lors d'une collision, les deux s'arrêtent, envoient un signal de brouillage brief, puis attendent un temps de retrait aléatoire avant de réessayer.

Les trois tâches, selon les termes du schéma : l'appareil écoute (détecte la porteuse) avant de transmettre ; il continue de vérifier la présence d'une collision pendant la transmission ; lors d'une collision, il s'arrête, envoie un signal de brouillage, attend un temps aléatoire et retransmet.

L'Ethernet commutée moderne utilise des liens point à point plein-duplex 全双工, rendant les collisions impossibles.

*Le processus CSMA/CD pour gérer les collisions sur les supports partagés

Le streaming 流式传输 envoie des multimédias sous forme de flux continu que le lecteur interprète à l'arrivée, au lieu de télécharger le fichier entier d'abord.

• en temps réel (direct) : capturé et diffusé en direct (sport en direct, appels vidéo). Impossible de rembobiner ; une faible latence est essentielle.
• à la demande : enregistré au préalable sur un serveur (YouTube, Netflix). Possibilité de mettre en pause et de rembobiner ; le serveur peut mettre en tampon 缓冲 à l'avance.

Le streaming en temps réel fonctionne comme un court pipeline :

1. capturer et échantillonner la source (caméra ou microphone).
2. encoder les données, en utilisant la compression 压缩 pour réduire la taille.
3. envoyer les données sur le réseau sous forme de paquets.
4. le lecteur met en tampon un peu, puis diffuse en direct — supprimant tout paquet arriving tard, car un flux en direct ne peut pas attendre.

Une compression avec perte 有损 est utilisée ici : les images animées masquent les petites pertes, et le flux doit être suffisamment petit pour tenir dans la bande passante.

Pourquoi une vidéo est compressée avant le streaming en temps réel : le flux non compressé nécessiterait plus de bande passante que la connexion ne peut offrir, ce qui entraînerait des retards d'arrivée des images et des interruptions de lecture. La compression réduit le nombre de bits, permettant au débit binaire 比特率 de rester inférieur à la vitesse de la large bande, la latence de rester faible, et de réduire le besoin de stockage et de coûts aux deux extrémités. Le débit binaire doit être inférieur à la vitesse de la connexion : un débit plus élevé offre une meilleure qualité mais nécessite une connexion plus rapide, et si les données arrivent plus lentement qu'elles ne sont lues, le tampon se vide et la vidéo fige. Le streaming à la demande peut mettre en tampon davantage de fichier à l'avance, gérant mieux une connexion lente ; le streaming en temps réel ne peut pas.

*Des données transitent du serveur vers un tampon avant que le lecteur multimédia ne les lise

L'internet 互联网 est un réseau mondial de réseaux utilisant un ensemble de protocoles 协议 commun (TCP/IP). Le World Wide Web 万维网 (WWW) est un service fonctionnant dessus : documents hypertextes identifiés par des URLs, visualisés dans des navigateurs via HTTP/HTTPS. L'e-mail et le transfert de fichiers sont d'autres services internet faisant partie intégrante du WWW.

Webmail utilise les deux : le WWW, car la boîte mail est une page web accessible via une URL dans un navigateur par HTTP ; et Internet, car l'e-mail lui-même traverse le réseau de réseaux (l'e-mail est un service internet séparé du web).

*Le Web est un service fonctionnant au-dessus d'Internet

Matériel supportant Internet

• modem 调制解调器 — convertit le signal numérique de l'ordinateur en signal analogique pour une ligne téléphonique, et inversement à l'autre bout (modulation et démodulation).
• RTPS — le réseau téléphonique public d'échanges et de lignes ; une connexion dial-up ou DSL transporte des données Internet dessus.
• ligne dédiée 专线 — une ligne louée entre une organisation et son FAI : toujours active, avec une bande passante fixe non partagée, donc plus rapide et fiable, mais coûteuse.
• réseau cellulaire 蜂窝网络 — l'appareil envoie des données par radio vers la tour cellulaire la plus proche (station de base) ; les tours sont reliées au réseau de l'opérateur téléphonique, qui achemine les données vers Internet ; lorsque l'appareil bouge, il passe d'une cellule à la suivante.

*Trois façons d'accéder à Internet : un modem et le RTPS, une ligne dédiée, et le réseau cellulaire

Une adresse IP identifie de manière unique un appareil.

• IPv4 — 32 bits, quatre nombres décimaux de 0 à 255 (192.168.1.10) ; environ $4.3 \times 10^{9}$ adresses (maintenant épuisées).
• IPv6 — 128 bits, huit groupes de quatre chiffres hexadécimaux ; environ $3.4 \times 10^{38}$ adresses.

IPv4 est écrit sous la forme de quatre groupes de nombres décimaux séparés par des points ; chaque groupe est un nombre sur 8 bits, allant donc de 0 à 255. IPv6 est écrit sous la forme de huit groupes de quatre chiffres hexadécimaux séparés par des deux-points, 2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329, et une série de groupes nuls peut être abrégée en ::. Ainsi, 192.168.3.2 n'est pas de l'IPv6 : il possède quatre groupes au lieu de huit, séparés par des points plutôt que par des deux-points, et ses groupes sont décimaux, non hexadécimaux. 256.0.0.A n'est pas une adresse valide de l'un ou l'autre type : un groupe IPv4 ne peut dépasser 255 et ne peut contenir de lettres, et IPv6 nécessiterait des deux-points et huit groupes.

Sous-réseautage

Un réseau peut être divisé en sous-réseaux 子网. L'adresse IP se divise en une partie réseau et une partie hôte, définies par un masque de sous-réseau 子网掩码 (par ex. 255.255.255.0 = les 24 premiers bits sont le réseau). Le sous-réseautage améliore la gestion, réduit le trafic de diffusion et renforce la sécurité.

Les deux parties d'une adresse dans un sous-réseau : l'ID réseau (les premiers bits, identiques pour chaque appareil de ce sous-réseau, donnés par les uns dans le masque) et l'ID hôte (les bits restants, uniques à chaque appareil). Avantages de la sous-référenciation, pour « décrivez deux avantages » : moins de trafic sur chaque partie, car les broadcasts restent dans leur sous-réseau ; meilleure sécurité, car le trafic d'un département est gardé des autres ; gestion plus facile et diagnostic des pannes ; utilisation plus efficace des adresses. Deux appareils avec le masque 255.255.255.0 sont dans des sous-réseaux différents lorsque leurs trois premiers groupes diffèrent.

Adresses publiques et privées

• Les adresses privées sont utilisées au sein d'un LAN et ne sont pas routables sur Internet (par ex. 192.168.0.0/16).
• Une adresse IP publique est unique à l'échelle mondiale et routable, attribuée par un FAI 互联网服务提供商.

Les appareils situés derrière NAT avec des adresses privées ne sont pas directement accessibles depuis Internet, ce qui offre une certaine protection.

Les descriptions attendues par les tableaux : une adresse publique est visible sur Internet et unique à l'échelle globale, allouée par le FAI ; une adresse privée n'est visible qu'à l'intérieur du LAN, est réutilisée par de nombreux LANs et nécessite NAT pour accéder à Internet. Une adresse statique ne change jamais (définie manuellement ou réservée, comme pour un serveur) ; une adresse dynamique est allouée par DHCP à chaque connexion de l'appareil et peut changer.

Statique vs dynamique

• Une adresse IP statique est fixe ; utilisée pour les serveurs qui doivent être trouvés à une adresse connue.
• Une adresse IP dynamique est attribuée par DHCP et peut changer ; plus pratique pour les appareils clients et utilise efficacement un pool d'adresses limité.

Exemple résolu. Un hôte a l'adresse IP 192.168.10.130 avec le masque de sous-réseau 255.255.255.192. Sur quel réseau se trouve-t-il, et 192.168.10.200 est-il sur le même ? Le dernier octet du masque, 192, est 11000000 en binaire, donc les premiers 26 bits sont la partie réseau et les derniers 6 bits adressent l'hôte. Cela fait que les sous-réseaux avancent par pas de $256 - 192 = 64$ : .0, .64, .128, .192. L'adresse 130 tombe dans le bloc commençant à .128, donc l'hôte est sur le réseau 192.168.10.128/26, dont les hôtes utilisables vont de .129 à .190 (.191 est l'adresse de broadcast). 200 tombe dans le bloc suivant (.192), donc il est sur un sous-réseau différent et le trafic entre les deux doit passer par un routeur. Obtenez la taille du bloc à partir du masque en premier ($256$ moins l'octet de masque) - deviner à partir des trois premiers octets est ce qui fait échouer ces exercices.

Une URL 统一资源定位符 (Uniform Resource Locator) localise une ressource sur le WWW :

https://www.example.com/about/contact.html
protocol     domain name        path

• protocole : http, https, etc.
• nom de domaine 域名 : une adresse de serveur lisible.
• chemin : la ressource sur ce serveur.

Le Système de Noms de Domaine 域名系统 (DNS, aussi appelé Domain Name Service) est un ensemble distribué de serveurs qui convertit les noms de domaine en adresses IP. Lorsque vous tapez une URL, le navigateur demande à un résolveur DNS l'IP, qui interroge les serveurs DNS (racine → niveau supérieur → autoritaire) jusqu'à la trouver ; le navigateur se connecte ensuite à cette IP et demande le chemin. Le DNS épargne aux humains la mémorisation des adresses IP et permet à un site de changer de serveur sans changer son nom.

Pour « expliquer comment le navigateur utilise l'URL » : le navigateur découpe l'URL en protocole, nom de domaine et chemin ; il envoie le nom de domaine à un serveur DNS, qui retourne l'IP correspondante (un cache sur l'ordinateur ou chez le FAI peut répondre en premier) ; il ouvre une connexion vers cette IP en utilisant le protocole (HTTPS sur le port 443) ; il envoie une requête pour le chemin ; et le serveur web retourne la page, que le navigateur affiche. Si la recherche DNS échoue, le navigateur signale que le serveur ne peut être trouvé.

Une question de définition est notée selon un libellé fixe. Apprenez-le exactement.

• Distinguer LAN vs WAN et client-serveur vs pair-à-pair selon qui stocke et contrôle les ressources.
• Associer chaque topologie (bus, étoile, maillée) à ses avantages et inconvénients (coût, fiabilité, collisions).
• Connaître la fonction de chaque dispositif : un interrupteur dirige au sein d'un LAN par adresse MAC, un routeur achemine entre réseaux par IP.
• Expliquer le bit streaming et pourquoi le buffering est nécessaire (les données arrivent à un rythme différent de celui de la lecture).
• Distinguer IPv4 vs IPv6 et adresses publiques et privées ; DNS convertit une URL en une adresse IP.

Erreurs courantes

• Dire qu'un switch fonctionne par adresse IP. Un switch achemine par adresse MAC au sein du LAN ; le routeur achemine par adresse IP entre les réseaux.
• Traiter Internet et le World Wide Web comme la même chose. Le Web est un service qui s'exécute sur Internet ; le courriel et le transfert de fichiers en sont d'autres.
• Donner « plus rapide » comme seule comparaison entre filaire et sans fil. Dire plus rapide et plus fiable et plus sûr, et donner le côté sans fil (mobilité, absence de câblage) lorsque la question demande une comparaison.
• Écrire qu'un routeur trouve l'adresse IP pour une URL. C'est DNS qui fait cela ; le routeur achemine les paquets vers lui.
• Décrire IPv6 avec des points et des groupes décimaux. Huit groupes de quatre chiffres hexadécimaux, séparés par des deux-points.
• Dessiner une topologie en étoile comme un anneau ou une chaîne. Chaque appareil a sa propre ligne vers le switch au centre.

Un ordinateur polyvalent possède quatre blocs de construction :

• dispositifs d'entrée 输入设备 — font entrer les données (clavier, souris, microphone, scanner, capteurs).
• dispositifs de sortie 输出设备 — affichent les résultats (écran, haut-parleurs, imprimante, actionneurs).
• mémoire primaire 主存储器 — mémoire rapide accessible directement par le processeur 处理器 (CPU). Contient le programme en cours et ses données.
• stockage secondaire 辅助存储器 — plus lent, plus grand, conserve les programmes et les données lorsqu'ils ne sont pas utilisés (disque dur, SSD, disque optique, clé USB).

Le programme demande pourquoi chacun est nécessaire. Les dispositifs d'entrée sont nécessaires car l'ordinateur ne peut traiter que les données et instructions saisies. Les dispositifs de sortie sont nécessaires pour présenter les résultats sous une forme utilisable par les personnes. La mémoire primaire est nécessaire car le processeur ne peut exécuter des instructions et utiliser des données que celles retenues dans la mémoire qu'il peut adresser directement, et il doit y accéder rapidement. Le stockage secondaire est nécessaire car la mémoire primaire est volatile et de capacité limitée : les programmes et données doivent survivre à la coupure d'alimentation, dans un stockage plus grand et moins cher, et le stockage amovible permet de transférer des données entre ordinateurs ou de les conserver en sauvegarde.

Un système embarqué 嵌入式系统 est un ordinateur intégré dans un autre appareil pour effectuer une tâche fixe (lave-linge, micro-ondes, unité de moteur de voiture, thermostat).

• avantages : optimisé pour une seule tâche, donc il est petit, consomme peu d'énergie et est bon marché à produire en série ; fiable, car il exécute un programme fixe avec peu de risques de défaillance ; démarre rapidement et ne nécessite aucune configuration utilisateur ; facile à utiliser grâce à une interface simple.
• inconvénients : limité à sa seule tâche, donc il ne peut pas être mis à niveau pour faire plus ; difficile à mettre à jour (son firmware 固件 peut nécessiter des outils spéciaux ou ne peut pas être modifié du tout) ; difficile à diagnostiquer, et généralement tout l'appareil doit être remplacé en cas de panne ; s'il est connecté à un réseau, il peut représenter une faille de sécurité, car son logiciel est rarement patché.

Une question « décrire les inconvénients » demande que chaque inconvénient soit formulé comme une réponse complète : quelle est la limitation et ce qu'elle signifie pour l'utilisateur, par exemple « le firmware ne peut pas être mis à jour, donc une faille de sécurité découverte ultérieurement ne peut pas être corrigée ».

Imprimante laser

Une imprimante laser 激光打印机 scanne l'image de la page sur un tambour photosensible chargé. Le toner 墨粉 adhère aux zones chargées, se transfère sur le papier, et est fondu par un fuser. Rapide, nette, haute capacité.

Comment ça marche, selon les étapes listées dans la grille de notation :

1. Les données de la page sont envoyées au tampon de l'imprimante.
2. Le tambour reçoit une charge électrostatique uniforme.
3. Un laser, réfléchi par un miroir rotatif, scanne l'image de la page sur le tambour, enlevant la charge là où il frappe, de sorte que la charge restante sur le tambour correspond à l'image.
4. Le toner, une poudre chargée, est attiré uniquement vers les parties chargées du tambour.
5. Le papier reçoit la charge opposée et roule contre le tambour, de sorte que le toner se transfère dessus.
6. Le fuser 定影器, une paire de rouleaux chauffants, fait fondre le toner dans le papier. Le tambour est ensuite déchargé et nettoyé pour la page suivante.

Imprimante 3D

Une imprimante 3D 3D打印机 construit un objet couche par couche : FDM fait fondre un filament plastique via une buse ; stéréolithographie polymérise une résine liquide avec un laser UV. Utilisée pour les prototypes et les pièces médicales personnalisées.

Comment ça marche :

1. Un modèle de l'objet est conçu dans un logiciel CAD (ou numérisé).
2. Un logiciel de tranchage divise le modèle en couches horizontales fines et produit les instructions pour chacune d'elles.
3. L'imprimante construit l'objet couche par couche : une imprimante FDM fait fondre un filament 塑料丝 plastique et le dépose via une buse mobile ; une imprimante à résine polymérise une résine liquide avec un laser ou une lumière UV ; une imprimante à poudre lie une poudre avec un laser.
4. Chaque couche s'agglomère à la couche inférieure, et la plateforme (ou la buse) descend d'une épaisseur de couche.
5. Lorsque la dernière couche est terminée, tout matériau de soutien est retiré. Utilisations incluent les prototypes, les pièces médicales personnalisées telles que les prothèses, et les pièces détachées imprimées à la demande.

Microphone et haut-parleurs

Un microphone 麦克风 convertit le son en signal électrique (un diaphragme vibre, changeant la charge d'un condensateur 电容器 ou la position d'une bobine) ; le signal est numérisé par un convertisseur analogique-numérique 模数转换器 (ADC). Un haut-parleur fait l'inverse : un signal variable actionne une bobine dans un champ magnétique, déplaçant un cône pour produire du son.

Comment fonctionne un microphone : des ondes sonores font vibrer un diaphragme 膜片 ; dans un microphone dynamique, une bobine attachée au diaphragme se déplace dans un champ magnétique, induisant ainsi un courant variable dans celle-ci, et dans un microphone condensateur, le diaphragme est une plaque d'un condensateur dont la capacité change lorsqu'il bouge ; le signal analogique variable est ensuite échantillonné par un ADC et stocké sous forme numérique. Un haut-parleur parcourt la chaîne à l'envers : un convertisseur numérique-analogique 数模转换器 (DAC) produit un courant variable, le courant dans la bobine crée un champ magnétique changeant qui pousse contre l'aimant permanent, la bobine et le cône se déplacent vers l'intérieur et l'extérieur, et le mouvement du cône produit des ondes de pression dans l'air.

Disque dur magnétique (HDD)

Un disque dur 硬盘 stocke des données sur des plateaux tournants recouverts de matériau magnétique. Chaque plateau possède des pistes 磁道 divisées en secteurs 扇区. Une tête de lecture/écriture 读写头 flotte juste au-dessus et magnétise de petites régions (écriture) ou les détecte (lecture). Bon marché par gigaoctet, mais plus lent que les SSD et possédant des pièces mobiles.

Comment ça marche : les plateaux tournent à grande vitesse (milliers de tours par minute) ; chaque surface est divisée en pistes concentriques et chaque piste en secteurs ; les têtes de lecture/écriture sur des bras actionneurs 磁头臂 se déplacent sur les plateaux jusqu'à la bonne piste ; pour écrire, la tête magnétise une petite région avec l'une des deux polarités, représentant 0 ou 1 ; pour lire, elle détecte la polarité alors que la région passe dessous. Les délais, attendant que le bras atteigne la piste et que le secteur tourne, expliquent pourquoi un disque dur est plus lent qu'un SSD.

Mémoire tout solide (flash)

Un disque tout solide 固态硬盘 stocke des données sous forme de charge dans des transistors 晶体管, sans pièces mobiles. Accès aléatoire plus rapide que les HDD, plus robuste, faible consommation, mais plus cher par gigaoctet ; chaque cellule s'use après de nombreuses écritures.

Comment ça marche : chaque cellule est un transistor à grille flottante 浮栅晶体管 ; une charge piégée sur la grille flottante représente un bit et y reste lorsque l'alimentation est coupée ; une puce contrôleur mape chaque adresse vers une cellule et répartit les écritures sur les cellules, car une cellule ne survit qu'à un nombre limité d'écritures.

Une question « pourquoi un serveur utilise-t-il des disques durs plutôt que des SSD » demande la colonne de gauche : moins cher par gigaoctet pour de très grandes capacités, longue durée de vie sous réécriture constante, et récupération de données plus facile.

Disc optique

Un laser détecte les réflexions provenant de petites cavités sur un disc optique 光盘 (CD, DVD, Blu-ray). Le lecteur est un lecteur graveur de disc optiques : l'écriture utilise un laser plus puissant pour modifier la réflectivité de la surface.

Comment ça marche : le disc comporte une longue piste spirale de cavités 凹坑 et de plateaux 平台 (les zones plates entre elles) ; le disc tourne et un laser est focalisé sur la piste ; la lumière réfléchie depuis un plateau diffère de celle réfléchie au bord d'une cavité, et un capteur lumineux lit chaque changement comme un 1 et l'absence de changement comme un 0. L'écriture utilise un laser plus puissant pour changer la réflectivité d'une couche de colorant ou d'alliage. Un Blu-ray utilise un laser bleu à longueur d'onde plus courte, de sorte que ses cavités sont plus petites et rapprochées, ce qui explique pourquoi il contient plus de données qu'un DVD.

Écran tactile

Un écran tactile 触摸屏 détecte le contact. Résistif 电阻式 : deux couches conductrices pressées ensemble ; fonctionne avec n'importe quoi mais est moins précis. Capacitif 电容式 : un doigt perturbe un champ de charge ; précis, multi-touch, utilisé dans les téléphones.

Comment ça marche : un écran résistif a deux couches conductrices fines séparées par des espacements ; appuyer pousse la couche supérieure sur la couche inférieure, fermant un circuit à cet endroit, et le contrôleur lit la tension pour trouver les coordonnées. Un écran capacitif a une couche de verre revêtue d'un conducteur transparent qui retient une charge ; un doigt qui le touche tire un petit courant, le courant est mesuré à chaque coin, et le contrôleur calcule la position du toucher à partir des différences. Les écrans capacitifs répondent à une légère touche et à plusieurs doigts à la fois, mais pas à un doigt ganté ou à un stylet ordinaire.

Casque de réalité virtuelle

Un casque de réalité virtuelle 虚拟现实 (VR) possède deux petits écrans (un par œil) et des capteurs de mouvement (accéléromètre 加速度计, gyroscope 陀螺仪) qui suivent le mouvement de la tête pour que la scène se déplace lorsque vous regardez autour de vous.

Fonctionnement : chaque œil voit son propre écran à travers une lentille, et les deux images diffèrent légèrement, ce qui permet au cerveau de percevoir la profondeur ; des capteurs (accéléromètre, gyroscope, parfois caméras) signalent la position de la tête et sa direction ; l'ordinateur re-rend la scène depuis cet angle de vue plusieurs fois par seconde, donc tourner la tête fait pivoter le champ de vision ; des écouteurs produisent un son qui correspond à la direction. Utilisé pour les jeux vidéo, la formation via des simulateurs de vol ou de chirurgie, et la visualisation de conceptions avant leur fabrication.

Un tampon 缓冲 est une mémoire qui retient temporairement des données pendant qu'elles transitent entre des dispositifs de vitesses différentes. Exemple : le CPU écrit un document dans un tampon d'imprimante rapidement, puis peut effectuer d'autres tâches tandis que l'imprimante imprime depuis le tambon à son propre rythme. Les tampons évitent qu'un dispositif rapide n'attende un dispositif lent (ils sont aussi utilisés dans le streaming, le clavier et l'accès aux disques).

"Expliquez pourquoi une imprimante 3D a besoin d'un tampon" : l'ordinateur envoie les données d'impression beaucoup plus vite que l'imprimante ne peut construire les couches, donc les données sont stockées dans le tampon jusqu'à ce que l'imprimante soit prête à les traiter, libérant ainsi le processeur pour d'autres tâches. Lorsque le tampon est bas, l'imprimante envoie une interruption 中断 pour demander plus de données (sujet 4). Un flux vidéo fonctionne de la même manière : le tampon se remplit à l'avance pour que la lecture continue, afin qu'une brève baisse de la vitesse du réseau n'arrête pas l'image.

• RAM 随机存取存储器 (Mémoire vive) — volatile 易失性 (perd les données sans alimentation). Contient le système d'exploitation, les programmes en cours d'exécution et leurs données ; elle est constamment lue et écrite.
• ROM 只读存储器 (Mémoire morte) — non volatile 非易失性 (conserve les données sans alimentation). Généralement écrite une seule fois ; contient le micrologiciel nécessaire au démarrage (le BIOS / chargeur de démarrage).

La ROM amorce le système ; la RAM contient ensuite le travail actif.

Plus de RAM permet à un ordinateur de contenir plus de programmes et de données simultanément, réduisant ainsi les échanges entre mémoire et disque et améliorant la vitesse ; c'est la réponse à "expliquez pourquoi l'ordinateur avec plus de RAM performe mieux".

Le partage de cette mémoire est important aussi dans un appareil portable : son programme fixe doit rester disponible après la coupure d'alimentation, tandis que ses lectures en direct changent durant l'utilisation.

• SRAM 静态RAM (RAM statique) stocke chaque bit dans un flip-flop 触发器 composé de plusieurs transistors. Rapide, mais coûteuse et peu dense. Utilisée pour le cache 高速缓存 du CPU.
• DRAM 动态RAM (RAM dynamique) stocke chaque bit sous forme de charge sur un condensateur minuscule. Moins chère et plus dense, mais plus lente, et doit être rafraîchie 刷新 (réécrite) des milliers de fois par seconde. Utilisée pour la mémoire vive.

Utilisez la SRAM pour la petite mémoire rapide (cache) ; la DRAM pour la grande mémoire vive.

"Expliquez pourquoi le système embarqué utilise la DRAM" : il a besoin d'une grande quantité de mémoire à faible coût dans un petit espace, et ses exigences de vitesse sont modestes, donc la DRAM, moins chère et plus dense, est le bon choix ; la SRAM est réservée au petit cache où la vitesse prime.

Variantes de ROM programmables après fabrication :

• PROM (ROM programmable) — écrite une seule fois (fusibles grillés par un programmeur) ; ne peut pas être modifiée.
• EPROM (ROM effaçable programmable) — effacée par lumière UV intense à travers une fenêtre, puis réécrite (toute la puce en une fois).
• EEPROM (ROM effaçable programmable électriquement) — effacée et réécrite électriquement, octet par octet, directement dans le circuit. La mémoire Flash est une dérivée optimisée pour l'effacement par blocs.

"Donnez deux différences entre EPROM et EEPROM" demande deux lignes de ce tableau, chacune stated pour les deux types.

Les deux lisent des capteurs ; la différence réside dans ce qu'ils font ensuite.

• surveillance 监控 — collecte et rapporte des données mais ne prend aucune action (une station météo enregistrant des relevés).
• système de contrôle 控制系统 — utilise les données des capteurs pour décider et agir via des actionneurs, généralement dans une boucle de rétroaction (un thermostat allumant/éteignant une chaudière).

La réponse à trois marques « décrivez les différences » : un système de surveillance mesure uniquement, enregistre ou affiche les lectures, et au mieux émet un avertissement ; un système de contrôle compare chaque lecture avec une valeur prédéfinie 预设值 et, si elle est hors plage, envoie des signaux aux actionneurs qui modifient le processus physique ; le changement est ensuite mesuré à nouveau, donc un système de contrôle contient une rétroaction et un système de surveillance n'en a pas. Si un système donné est l'un ou l'autre est décidé par ce test : un système de pont qui mesure la hauteur d'un véhicule et allume un panneau d'avertissement est de la surveillance, car rien de ce qu'il fait ne change le véhicule ; un système qui abaisse une barrière est du contrôle.

Exemple résolu. Décrivez comment un système automatique ouvre une porte quand une personne est à moins de 2 mètres et la ferme quand personne n'est là.

Un capteur infrarouge ou ultrasonore mesure la distance vers tout objet devant la porte ; la lecture analogique est convertie en numérique par un CNA et envoyée au processeur ; le processeur compare la distance aux 2 mètres préréglés ; si elle est inférieure, le processeur envoie un signal à l'actionneur (un moteur) pour ouvrir la porte ; le capteur continue de mesurer, et quand aucune lecture inférieure à 2 mètres n'est reçue, le processeur signale au moteur de fermer la porte. La mesure répétée après chaque action est la rétroaction qui empêche la porte de s'ouvrir et de se fermer aux mauvais moments.

Capteurs et actionneurs

Un capteur 传感器 convertit une grandeur physique en signal : température (une thermistance 热敏电阻 ou thermocouple), pression (jauge de contrainte), infrarouge, son. Les signaux analogiques nécessitent d'abord un CNA. Un actionneur 执行器 fait l'inverse — convertit un signal en action (un moteur, une valve, un chauffage, un buzzer).

Rétroaction

Dans un système de contrôle, l'actionneur modifie l'environnement, que les capteurs mesurent ensuite à nouveau — une boucle de rétroaction 反馈. Sans rétroaction, le système ne peut pas se corriger ni savoir quand s'arrêter (un thermostat sans rétroaction de température chaufferait indéfiniment).

Une porte logique 逻辑门 est un petit circuit effectuant une opération booléenne 布尔 unique. Les entrées et sorties valent 0 (faux, bas) ou 1 (vrai, haut). Connaître le symbole, la fonction et la table de vérité 真值表 pour chaque porte.

NON (inverseur)

ET — sortie 1 seulement si toutes les entrées sont 1

OU — sortie 1 si au moins une entrée est 1

NAND (NON ET) — sortie 0 seulement quand toutes les entrées sont 1

NOR (NON OU) — sortie 1 seulement quand toutes les entrées sont 0

XOR (OU exclusif, aussi appelé EOR) — sortie 1 si les entrées sont différentes

Un circuit logique 逻辑电路 est un réseau de portes exécutant une expression booléenne. Vous devez pouvoir passer d'un énoncé de problème, à une expression logique, à une table de vérité et à un schéma de circuit.

L'énoncé écrit les expressions en mots, X = (A AND NOT B) OR (B AND C), et accepte la forme algébrique $X = A\overline{B} + BC$ où un point (ou rien) est ET, un signe plus est OU, et une barre est NON. Utilisez celle que pose la question.

De l'expression au circuit

Dessinez une porte par opérateur et câblez-les. Pour $X = (A \text{ AND } B) \text{ OR } (\text{NOT } C)$ : une porte NON sur $C$, une porte ET sur $A$ et $B$, puis une porte OU sur les deux résultats.

Du circuit à l'expression

Travaillez à partir des entrées, en étiquetant la sortie de chaque porte logique, jusqu'à atteindre la sortie finale.

Exemple résolu. Écrivez l'expression du circuit ci-dessous, puis complétez sa table de vérité.

Étiquetez les sorties des portes : $P = A \text{ AND NOT } B$, $Q = B \text{ AND } C$, donc $X = P \text{ OR } Q = (A \text{ AND NOT } B) \text{ OR } (B \text{ AND } C)$. Ensuite, ajoutez une colonne pour chaque sortie intermédiaire dans la table de vérité, afin que chaque ligne puisse être vérifiée porte par porte :

Dessiner un circuit à partir d'une expression correspond à parcourir le chemin inverse : commencez par les parenthèses intérieures, dessinez une porte par opérateur, placez une porte NON sur le fil de toute entrée apparaissant avec NON, gardez les entrées à gauche et la sortie unique à droite, et étiquetez la sortie avec sa lettre. Chaque ligne doit aboutir à une entrée de porte ou à la sortie ; une ligne qui ne va nulle part perd la note.

Du circuit à la table de vérité

Pour $n$ entrées, il y a $2^{n}$ lignes. Répertoriez toutes les combinaisons d'entrées ; pour chacune, calculez les portes internes puis la sortie.

De la table de vérité à l'expression (somme de produits)

Pour chaque ligne qui produit 1, écrivez un ET des entrées (avec NON sur toute entrée valant 0 dans cette ligne) ; OR ces termes ensemble. Exemple : une table qui vaut 1 uniquement aux $(A=0,B=1)$ et $(A=1,B=0)$ donne $\overline{A}B + A\overline{B}$, ce qui est $A \text{ XOR } B$.

D'un énoncé de problème

Transformez l'anglais en expression booléenne d'abord : "A and B" → A AND B ; "A or B or both" → A OR B ; "exactly one of A and B" → A XOR B ; "neither A nor B" → A NOR B ; "not both" → A NAND B.

Exemple résolu. L'alarme d'une machine $X$ se déclenche lorsque la barrière est ouverte ($A=1$) ET soit le moteur tourne ($B=1$), soit la température est élevée ($C=1$). Écrivez l'expression booléenne et indiquez les lignes où $X=1$. Transformez l'anglais en logique clause par clause : "either B or C" est $B + C$, et "A et that" est $X = A\cdot(B + C)$. Pour les lignes, $X=1$ nécessite $A=1$ ET au moins l'un de $B$, $C$ égal à 1 - donc $(A,B,C) = (1,0,1)$, $(1,1,0)$ et $(1,1,1)$, trois lignes sur huit. Remarquez que $A=0$ ne peut jamais déclencher l'alarme, quel que soient $B$ et $C$. Encadrez l'OR avant de faire le ET : $X = A\cdot B + C$ est un circuit entièrement différent, celui qui déclencherait l'alarme à haute température même si la barrière est fermée.

Une question de définition est notée selon un libellé fixe. Apprenez-les exactement et ne donnez qu'une seule réponse.

• Distinuez RAM (volatile, lecture/écriture) de ROM (non volatile, contient le bootstrap) ; SRAM (cache, plus rapide) de DRAM (mémoire principale, nécessitant un rafraîchissement).
• Pour un circuit logique, construisez l'expression booléenne porte par porte, puis une table de vérité couvrant toutes les combinaisons d'entrées.
• Apprenez le symbole, l'expression et la table de vérité pour chaque porte (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR).
• Expliquez un buffer (tampon temporaire reliant deux vitesses différentes) et le rôle d'une interruption.

Erreurs courantes

• Nommer l'appareil au lieu de décrire son fonctionnement. « Il utilise un laser » ne rapporte rien ; les étapes (charger le tambour, le laser retire la charge, le toner est attiré, transféré, fixé) rapportent les points.
• Dire qu'un système de surveillance "contrôle" quelque chose. Si rien ne modifie le processus physique, c'est une surveillance ; ajoutez l'actionneur et le retour d'information et cela devient un contrôle.
• Écrire que la RAM "stocke des fichiers de manière permanente" ou que la ROM "stocke les données de l'utilisateur". La RAM est une mémoire de travail volatile ; la ROM contient les instructions de démarrage fixes.
• Une table de vérité avec moins de $2^{n}$ lignes, ou des lignes dans un ordre aléatoire. Comptez en binaire de 000 à 111 pour ne manquer aucune combinaison.
• Dessiner deux fils sortant d'une même sortie de porte par précaution, ou laisser un fil qui ne termine nulle part. Dessinez exactement les connexions nécessaires à l'expression.

L'architecture Von Neumann 冯·诺依曼体系结构 sous-tend presque tous les ordinateurs à usage général :

• une mémoire unique — la Immediate Access Store 立即存取存储器 (IAS) — contient à la fois les instructions de programme et les données (le concept de stored program 存储程序).
• non processor 处理器 (CPU) récupère les instructions depuis la mémoire et les exécute une par une.
• les instructions s'exécutent dans l'ordre sauf si une branche modifie le flux.

L'idée de stored-program rend l'ordinateur flexible : changer le programme change ce qu'il fait, sans câblage.

Toutes ces parties sont situées à l'intérieur d'une petite puce. Le diagramme plus loin dans cette section montre comment elles sont connectées ; la photo ci-dessous montre le réel.

Arithmetic and Logic Unit (ALU)

L'ALU 算术逻辑单元 effectue les opérations arithmétiques (addition, soustraction, …) et logiques (AND, OR, comparaisons). Elle prend des opérandes depuis les registers 寄存器 et place les résultats dans un registre.

Unité de contrôle (CU)

L'control unit 控制单元 décode chaque instruction et envoie les signaux de contrôle pour l'exécuter — ouvrir les chemins de données, dire à l'ALU quoi faire, et contrôler les lectures et écritures mémoire.

System clock

L'horloge envoie un flux régulier d'impulsions qui maintiennent le CPU synchronisé. Chaque instruction prend un nombre fixe de cycles, et la vitesse d'horloge 时钟频率 (par ex. 3.8 GHz) est un facteur de performance.

"Expliquez comment la CU et l'horloge système travaillent ensemble" : l'horloge émet des impulsions à fréquence fixe ; la control unit utilise chaque impulsion pour avancer le cycle fetch-execute d'un cran, envoyant ses signaux de contrôle en phase avec les impulsions, de sorte que chaque partie du processeur change d'état simultanément. Une horloge plus rapide signifie plus d'étapes par seconde, jusqu'au point où les circuits ne peuvent plus se stabiliser entre les impulsions.

Registres

Les registers sont de petites mémoires très rapides à l'intérieur du CPU. Les special purpose registers 专用寄存器 ont chacune une tâche fixe dans le cycle :

• Program Counter 程序计数器 (PC) — l'adresse de l'suivante instruction.
• Memory Address Register 内存地址寄存器 (MAR) — l'adresse lue ou écrite.
• Memory Data Register 内存数据寄存器 (MDR) — les données allant vers ou venant de la mémoire.
• Current Instruction Register 当前指令寄存器 (CIR) — l'instruction actuellement décodée.
• Accumulator 累加器 (ACC) — la valeur sur laquelle l'ALU travaille.
• Status Register 状态寄存器 — contient des flags 标志 (carry, zero, negative, overflow) utilisés par les branches. Chaque flag est un bit, positionné ou effacé par l'ALU après une opération : le flag zero après une comparaison qui a matches, le flag carry quand une addition a débordé le registre, le flag negative quand un résultat est négatif. Un saut conditionnel lit les flags pour décider de brancher, et un flag overflow peut déclencher une interruption.
• Index Register 变址寄存器 — un décalage ajouté à une adresse dans l'adressage indexé ; l'incrémenter permet de parcourir un tableau un élément à la fois.

La question "complete the table describing the role of each register" demande une phrase précise par registre en ces termes : le PC contient l'adresse de la prochaine instruction à récupérer ; le MAR contient l'adresse de l'emplacement lu ou écrit ; le MDR contient les données ou l'instruction juste lues depuis, ou sur le point d'être écrites vers, cet emplacement ; le CIR contient l'instruction actuellement décodée et exécutée ; l'ACC contient le résultat de la dernière opération arithmétique ou logique.

General-purpose registers 通用寄存器 sont utilisés par le programmeur pour des valeurs temporaires durant un calcul. Les mouvements de données entre registers et mémoire sont écrits en notation register transfer 寄存器传送 — par ex. MAR ← [PC] ("copiez le contenu du PC dans le MAR").

Trois buses internes 总线 (ensembles de fils parallèles) connectent les parties :

• address bus 地址总线 — transporte l'adresse mémoire. Unidirectionnel (CPU → mémoire).
• data bus 数据总线 — transporte les données. Bidirectionnel.
• control bus 控制总线 — transporte les signaux de contrôle (lecture, écriture, interruption). Bidirectionnel.

Une adresse-bus de $n$ bits peut accéder à $2^{n}$ emplacements mémoire. La largeur du bus de données détermine le nombre de bits transférés par accès (souvent la taille mot).

• vitesse d'horloge — plus de cycles par seconde.
• nombre de cœurs 核心 — un CPU multi-cœur exécute plusieurs threads simultanément.
• taille mot 字长 — un CPU 64 bits traite des blocs de 64 bits par cycle et peut adresser bien plus de mémoire qu'un 32 bits.
• quantité de RAM 随机存取存储器 — plus de RAM retient davantage du jeu de travail ; trop peu force le système d'exploitation à faire du pageage 页 vers le disque.
• mémoire cache 高速缓存 taille — plus de cache réduit le temps d'accès moyen à la mémoire.
• type de stockage secondaire 辅助存储器 — un SSD charge les programmes bien plus vite qu'un HDD.
• largeur et vitesse du bus — des buses plus larges/rapides transmettent les données plus rapidement.

Associez les spécifications à la charge de travail : un quad-core bat un dual-core sur les tâches parallèles, mais une vitesse par cœur supérieure gagne sur les tâches monothreaded.

Chaque facteur est une réponse de deux points avec une raison associée :

• Plus de cœurs : chaque cœur peut chercher et exécuter sa propre instruction en même temps, donc plusieurs programmes, ou les threads d'un seul programme, s'exécutent en parallèle. Mais un programme doit être écrit pour utiliser plus d'un cœur, donc doubler les cœurs ne double pas la vitesse.
• Vitesse d'horloge plus élevée : plus de cycles recherche-exécution par seconde, donc plus d'instructions par seconde ; la limite est la chaleur produite.
• Bus plus large : un bus de données plus large转移更多位 in each transfer, so fewer transfers are needed for the same data; a wider address bus can address more memory locations.
• Mémoire cache : une petite mémoire rapide située à l'intérieur ou à côté du processeur qui conserve les instructions et les données utilisées le plus récemment ou le plus souvent. Les lire depuis le cache est beaucoup plus rapide que depuis la RAM, donc le processeur passe moins de temps en attente.

"Expliquez pourquoi l'ordinateur neuf performe mieux" se répond en comparant les deux spécifications ligne par ligne : une vitesse d'horloge plus élevée exécute plus d'instructions par seconde, plus de cœurs exécutent plus de tâches à la fois, plus de cache signifie moins d'accès lents à la RAM, et plus de RAM signifie moins de transferts vers le disque.

Un port 端口 est une prise physique pour connecter un périphérique 外围设备 :

• USB (Universal Serial Bus) — usage général (claviers, lecteurs, téléphones).
• HDMI (High Definition Multimedia Interface) — vidéo numérique et audio vers un écran.
• VGA (Video Graphics Array) — sortie vidéo analogique plus ancienne vers un moniteur.
• Ethernet (RJ-45) — LAN filaire. Jacks audio — écouteurs/microphone.

Différents ports utilisent des signaux différents, donc un câble HDMI ne s'insère pas dans une prise USB. USB-C est inhabituel car il transporte vidéo, données et alimentation.

"Expliquez comment l'ordinateur se connecte au moniteur via HDMI" : le port HDMI envoie la vidéo et l'audio comme un seul signal numérique via un seul câble, donc aucune conversion analogique n'est nécessaire et l'image n'est pas dégradée ; le câble supporte des résolutions haute définition et le port du moniteur décode le signal. Un périphérique USB est branchement et utilisation immédiate : lorsqu'il est connecté, l'ordinateur le détecte, l'identifie, charge ou installe le pilote dont il a besoin, et peut lui fournir de l'alimentation, tout cela sans redémarrage.

Le CPU répète le cycle fetch-execute 取指-执行周期, une itération par instruction machine.

Fetch

1. l'adresse du PC est copiée dans le MAR.
2. le PC est incrémenté pour pointer vers l'instruction suivante.
3. un signal read part sur le bus de contrôle.
4. la mémoire place l'instruction sur le bus de données.
5. elle est copiée dans le MDR, puis dans le CIR.

L'examen demande ces étapes en register transfer notation 寄存器传送记法, où [X] signifie le contenu du registre X et [[MAR]] signifie le contenu de l'emplacement mémoire dont l'adresse est dans le MAR :

MAR ← [PC]          the address of the next instruction goes to the MAR
PC  ← [PC] + 1      the PC now points to the following instruction
MDR ← [[MAR]]       the instruction at that address is read into the MDR
CIR ← [MDR]         the instruction is copied into the CIR for decoding

L'ordre est important : le PC est incrémenté immédiatement après que son adresse ait été copiée, afin qu'une saut exécuté ultérieurement puisse encore le modifier. Pendant l'exécution, la même notation décrit chaque instruction ; pour LDD 200, par exemple, MAR ← 200, MDR ← [[MAR]], ACC ← [MDR].

Decode

La CU décode l'instruction dans le CIR — quelle opération, et quels opérandes ou adresses.

Execute

La CU l'exécute : arithmétique/logique va vers l'ALU (résultat vers l'ACC) ; un load/store déplace des données entre la mémoire et un registre ; un branch modifie le PC. Puis le cycle recommence.

Une interrupt 中断 est un signal qui pauses le cycle normal pour que le CPU puisse gérer un événement urgent (une touche pressée, un paquet arrivant, une panne matérielle, division par zéro, horloge OS).

Gérer une :

1. termine l'instruction actuelle.
2. save the state (PC et registres).
3. charge l'adresse de la interrupt service routine 中断服务程序 (ISR) dans le PC et exécute-la.
4. l'ISR gère l'événement.
5. restore l'état sauvegardé et continue.

Les interrupts permettent au système de répondre rapidement sans que le CPU surveille constamment les appareils, et sont la méthode par laquelle le OS fait du multitasking.

"Expliquez comment une interrupt provenant d'un périphérique d'entrée est détectée et gérée dans le cycle F-E" est une réponse de quatre points avec ces éléments : le périphérique envoie un signal d'interruption qui positionne le flag d'interruption dans le interrupt register 中断寄存器 ; le processeur vérifie ce registre à la fin de chaque cycle fetch-execute, après que l'instruction actuelle ait fini d'être exécutée ; si un flag est positionné et que l'interruption a une priorité supérieure à la tâche actuelle, le contenu du PC et des autres registres est sauvegardé sur la pile 栈 ; l'adresse de la routine de service d'interruption est chargée dans le PC et la routine s'exécute ; lorsqu'elle finit, les valeurs sauvegardées sont restaurées depuis la stack et le programme interrompu reprend là où il s'était arrêté.

Causes dignes d'être nommées : une interrupt matérielle venant d'un appareil (une touche pressée, tampon d'imprimante vide, paquet réseau arrivant), une interrupt logicielle due à une faute (division par zéro, instruction illégale, dépassement d'arithmétique), une interrupt d'horloge provenant du système d'exploitation marquant la fin d'une tranche de temps, et un avertissement de coupure de courant.

Le CPU exécute réellement le machine code 机器码 — motifs de bits, spécifiques à une architecture. L'assembly language 汇编语言 est une forme lisible, avec une instruction par instruction machine, écrite en utilisant des mnemonics 助记符 comme LDD, ADD, JMP. Un assembler 汇编器 le traduit en machine code.

Two-pass assembler

Un assembleur à deux passes lit la source deux fois :

• pass 1 construit une symbol table 符号表 : chaque fois qu'un label 标签 (comme LOOP:) apparaît, on note son adresse ; aucun code produit encore.
• pass 2 génère le code : traduit chaque instruction, et quand l'une référence un label (comme JMP LOOP), cherche son adresse dans la table des symboles.

Deux passes gèrent les forward references 前向引用 (un saut vers un label défini plus tard).

Exemple résolu. Appliquez le processus à deux passes à ce programme, dont la première instruction est stockée à l'adresse 100.

        LDD  COUNT
LOOP:   DEC  ACC
        CMP  #0
        JPN  LOOP
        END
COUNT:  5

Le passage 1 lit chaque ligne, compte l'adresse qu'elle occupera, et enregistre chaque étiquette dans la table des symboles : LOOP = 101 (la ligne DEC) et COUNT = 105 (la ligne de données). Aucun code n'est produit. Le passage 2 relit le programme et traduit chaque ligne en code machine, remplaçant chaque mnémonique par son code opérationnel 操作码 et chaque adresse symbolique par le nombre de la table des symboles : LDD COUNT devient le code opérationnel pour LDD avec l'opérande 操作数 105, et JPN LOOP devient le code opérationnel pour JPN avec l'opérande 101. Le saut en arrière vers LOOP aurait pu être résolu en un seul passage, mais un saut avant vers une étiquette non encore vue ne le pouvait pas, c'est pourquoi l'assembleur fait deux passages.

Example instruction set

Cambridge utilise un petit ensemble générique, imprimé dans la table de référence de l'examen, avec un registre à usage général, l'accumulateur (ACC), et un registre index (IX). Un operand écrit #n est un nombre décimal, Bn un nombre binaire et &n un nombre hexadécimal ; <address> est un numéro d'emplacement ou un label.

La question « les instructions en langage assembleur sont groupées » demande les noms des groupes et une instruction de chacun : mouvement de données, entrée/sortie, arithmétique, sauts inconditionnels et conditionnels, comparaison et manipulation des bits.

Le mode d'adressage 寻址方式 (les modes d'adressage) indique comment le CPU trouve l'opérande :

• adressage immédiat 立即寻址 — l'opérande est la valeur dans l'instruction. LDM #10 charge 10.
• adressage direct 直接寻址 — l'instruction contient une adresse ; l'opérande est la valeur à cet endroit. LDD 200.
• adressage indirect 间接寻址 — l'instruction contient une adresse qui contient une autre adresse, qui est les données. LDI 200.
• adressage indexé 变址寻址 — l'adresse effective est address + index register ; utilisé pour les tableaux. LDX 100 avec IR = 5 lit l'adresse 105.

(Adressage relatif 相对寻址 donne l'adresse comme un décalage par rapport au PC — utilisé pour les sauts.)

Exemple résolu. La mémoire contient : emplacement 200 = 250, emplacement 250 = 99, emplacement 105 = 7. Le registre index contient 5. Que contient l'accumulateur après chacun de LDM #200, LDD 200, LDI 200 et LDX 100 ? Suivez jusqu'où chaque mode doit chercher. LDM #200 est immédiat - l'opérande est le nombre écrit dans l'instruction, donc l'accumulateur contient 200. LDD 200 est direct - aller à l'emplacement 200 et prendre ce qu'il y a : 250. LDI 200 est indirect - l'emplacement 200 contient 250, qui est une autre adresse, donc continuer vers l'emplacement 250 : 99. LDX 100 est indexé - ajouter le registre index à l'adresse, $100 + 5 = 105$, et lire l'emplacement 105 : 7. Comptez les sauts pour les distinguer : immédiat 0, direct 1, indirect 2, indexé 1 (une fois l'index ajouté).

Pour le tracer : faites un tableau avec des colonnes pour le PC, ACC, registre index, chaque variable et tout drapeau. Passez pas à pas à travers les instructions, mettez à jour le tableau après chacune ; suivez les branches lorsqu'elles changent le PC ; arrêtez à END. Un motif courant est une boucle sur un tableau utilisant l'adressage indexé.

Exemple résolu. Tracez ce programme. L'adresse 200 contient 5 et l'adresse 201 contient 0.

100   LDD  200
101   CMP  #0
102   JPE  108
103   OUT
104   DEC  ACC
105   STO  200
106   LDD  201
107   JMP  100
108   END

Écrivez une ligne pour chaque instruction exécutée, en ne remplissant que les colonnes qui changent :

et ainsi de suite, jusqu'à ce que LDD 200 charge 0, la comparaison définisse le drapeau égal, JPE 108 soit exécutée et le programme se termine. Trois points vérifiés par l'examinateur : un CMP ne modifie aucun registre, seulement un drapeau ; un saut non pris compte toujours comme exécuté ; et OUT produit un caractère, donc il va dans la colonne de sortie, pas dans la colonne ACC. "Décrivez l'effet du changement de LDD 10 en LDM #10" : l'ACC contiendrait le nombre 10 au lieu du contenu de l'adresse 10.

Un décalage logique 逻辑移位 déplace tous les bits vers la gauche ou la droite de quelques places, en remplissant les nouvelles positions avec 0.

• décalage à gauche de 1 (LSL #1) — les bits se déplacent vers la gauche, un 0 entre à droite ; pour un nombre non signé, c'est × 2.
• décalage à droite de 1 (LSR #1) — les bits se déplacent vers la droite, un 0 entre à gauche ; pour un nombre non signé, c'est integer ÷ 2.

Décaler de $n$ positions multiplie ou divise par $2^{n}$. Exemple : 00001011 (11) LSL #1 → 00010110 (22).

Les bits décalés hors de l'extrémité sont perdus, donc la multiplication n'est correcte que tant qu'ils étaient zéros. LSL #2 sur l'entier en complément à deux 11001010 donne 00101000 : les deux 1s qui sont sortis par la gauche ont disparu, le bit de signe a changé, et le résultat n'est plus quatre fois l'original.

Un décalage logique à droite conserve le bit de signe pour qu'un nombre négatif signé reste négatif. Un décalage cyclique 循环移位 (rotation) renvoie le bit qui tombe d'une extrémité à l'autre, afin qu'aucun bit ne soit perdu.

"Montrez le résultat d'un décalage logique à droite de 3 places sur 10011110" : copiez le bit de signe dans chaque place vacante, 11110011. Le même décalage sur 01011100 donne 00001011. Un décalage cyclique à gauche de 1 sur 10000110 donne 00001101 : le 1 de tête réapparaît à droite.

La différence entre les deux décalages à droite est un seul bit. Prenez 11110000, qui est 240 lu comme non signé et $-16$ lu comme signé. LSR #1 apporte un 0 et donne 01111000 $= 120$, qui est la moitié correcte de 240. ASR #1 copie le bit de signe et donne 11111000 $= -8$, qui est la moitié correcte de $-16$. Aucun n'est faux — chacun divise la valeur par deux selon une lecture.

Manipulation des bits pour surveillance/contrôle

Les dispositifs embarqués utilisent souvent un bit 位 d'un registre par signal (par exemple bit $n$ = LED $n$). En utilisant un masque 掩码 — masquage de bits — vous pouvez :

• positionner le bit $n$ : R = R OR un masque avec le bit $n$ positionné.
• désactiver le bit $n$ : R = R AND un masque avec le bit $n$ désactivé et le reste activé.
• inverser le bit $n$ : R = R XOR un masque avec le bit $n$ activé.
• tester le bit $n$ : R AND le masque, puis vérifier si le résultat est non nul.

La manipulation des bits est rapide, utilise peu de mémoire et permet à un octet de contenir jusqu'à 8 états marche/arrêt.

Dans l'ensemble d'instructions de l'examen, ce sont AND, OR et XOR avec un masque écrit comme opérande décimal, binaire ou hexadécimal. Avec ACC contenant 10101100 :

"Écrivez l'instruction qui active le bit de poids faible à 1 et laisse les autres inchangés" : OR #1, ou OR B00000001. Pour désactiver un bit, utilisez AND avec un masque ayant un 0 à cet endroit et des 1 ailleurs ; pour tester un bit, AND avec un masque ayant un 1 uniquement à cet endroit, puis comparez le résultat avec zéro. Dans un dispositif de surveillance, un bit d'un registre par capteur permet à une seule AND de vérifier si un capteur particulier est allumé, et un OR active le bit de commande d'un actionneur sans perturber les autres.

Une question de définition est notée selon un libellé fixe. Apprenez-les exactement et ne donnez qu'une seule réponse.

• Apprendre le cycle prélever-exécuter en termes de transfert de registres (PC, MAR, MDR, CIR, ACC) et ce qui incrémente le PC.
• Nommer la fonction de chaque registre ; le bus d'adresses est unidirectionnel, le bus de données est bidirectionnel.
• Distinguer les modes d'adressage (immédiat, direct, indirect, indexé) — une question fréquente.
• Expliquer comment la vitesse d'horloge, le nombre de cœurs, la taille du cache et la longueur du mot influencent les performances.
• Pour un décalage binaire, indiquer s'il est logique ou arithmétique ; un décalage vers la gauche multiplie par 2, un décalage vers la droite divise par 2.

Erreurs courantes

• Dire que le PC contient l'instruction courante, ou que le MDR contient une adresse. Le PC contient l'adresse de l'instruction suivante ; le MDR contient des données ou une instruction, jamais une adresse.
• Omettre l'incrémentation du PC lors de la phase de prélèvement, ou la placer après l'exécution. Elle a lieu dès que l'adresse a été copiée dans le MAR.
• Lire LDD 10 comme "charger 10". LDD 10 charge le contenu de l'adresse 10 ; LDM #10 charge le nombre 10.
• Placer une valeur dans la colonne ACC pour CMP ou OUT. Une comparaison définit uniquement un drapeau ; une sortie va vers la colonne de sortie.
• Dire qu'une interruption est traitée "immédiatement". Le processeur termine l'instruction courante et vérifie les interruptions à la fin du cycle.
• Utiliser un décalage logique droit sur un nombre négatif en complément à deux. Seul un décalage arithmétique conserve le bit de signe.

Pourquoi un ordinateur a besoin d'un OS

Le matériel seul peut seulement prélever et exécuter des instructions — il ne sait rien des fichiers, programmes, réseaux ou utilisateurs. Le système d'exploitation 操作系统 (OS) est la couche logicielle qui :

• gère le matériel (processeur 处理器, mémoire, E/S, stockage) pour les programmes en cours d'exécution.
• fournit des services (système de fichiers, réseau, comptes utilisateurs) via une interface claire, afin que les programmes n'aient pas à communiquer directement avec le matériel.
• fournit une interface utilisateur (ligne de commande, GUI, tactile).
• permet à plusieurs programmes de partager le matériel en toute sécurité — chacun obtient un temps CPU équitable et est maintenu hors de la mémoire des autres.

Sans OS, chaque programme aurait ses propres pilotes, et un seul programme pourrait s'exécuter en toute sécurité à la fois.

"Décrire la fonction d'un OS" — la liste à cinq points. L'OS (1) fournit une interface entre l'utilisateur et le matériel ; (2) masque la complexité du matériel à l'utilisateur et aux programmes applicatifs ; (3) gère les ressources matérielles — temps processeur, mémoire, stockage et périphériques d'E/S — et les partage entre les programmes ; (4) charge les logiciels applicatifs en mémoire et les exécute, offrant à chaque programme la même plateforme d'exécution ; (5) permet à plusieurs programmes de s'exécuter simultanément (multitasking 多任务处理) tout en maintenant leur sécurité ainsi que celle des données des utilisateurs. Donnez cinq points différents ; "il fait fonctionner l'ordinateur" ou "il gère les ressources" seul ne rapporte aucun point.

Tâches de gestion clés

Le syllabus en nomme cinq. Chaque point ci-dessous est une chose que l'OS fait réellement, ce qu'une question "décrire" attend.

• gestion de la mémoire 内存管理 — alloue de la mémoire à chaque programme lors de son chargement, garde la mémoire de chaque programme séparée (protection mémoire 内存保护) pour qu'aucun ne puisse écraser l'autre, libère la mémoire quand un programme se termine, et échange des pages entre RAM 随机存取存储器 et stockage secondaire 辅助存储器 (le disque) (mémoire virtuelle 虚拟内存 / fragmentation 分页) pour permettre d'avoir plus de programmes ouverts que la mémoire physique ne le permet.
• gestion des processus 进程管理 — un programme en cours d'exécution est un processus 进程. L'OS crée et supprime des processus, décide quel processus aura le CPU suivant (ordonnancement 调度) et pendant combien de temps (une tranche de temps 时间片), bascule entre eux, résout les conflits lorsque deux veulent la même ressource, et peut tuer celui qui ne répond plus.
• gestion du matériel (entrées/sorties et périphériques) — communique avec chaque appareil via son pilote de périphérique 设备驱动, met en file d'attente et tamponne les données allant vers les dispositifs lents comme une imprimante, répond aux interruptions 中断 des appareils, et partage un appareil entre plusieurs programmes.
• gestion de fichiers — crée, nomme, copie, déplace et supprime des fichiers et dossiers, maintient la structure des répertoires 目录 et un enregistrement de l'emplacement de chaque fichier sur le disque, alloue de l'espace disque aux fichiers, et impose des droits d'accès 访问权限 (lecture / écriture / exécution) pour chaque utilisateur.
• gestion de la sécurité — comptes utilisateurs et mots de passe (authentification 身份验证), droits d'accès, chiffrement des données stockées, pare-feu, mises à jour de sécurité automatiques, et journalisation des actions.

Comment la gestion de la mémoire et des processus soutiennent le multitasking (un favori à quatre points). La gestion de la mémoire charge plusieurs programmes en mémoire en même temps, chacun dans sa propre zone protégée, et suit quelles adresses appartiennent à quels programmes ; la gestion des processus partage le processeur entre eux — chaque processus s'exécute pendant une tranche de temps, l'OS sauvegarde son état et bascule vers le suivant, et ce changement est si rapide que tous les programmes semblent s'exécuter ensemble. Les interruptions permettent à l'OS de reprendre le processeur à un processus dès qu'un périphérique nécessite une attention.

Interruptions. Une interruption matérielle 硬件中断 vient d'un appareil : une touche pressée, un clic de souris, une imprimante sans papier, une fin de transfert de disque, une panne de courant. Une interruption logicielle 软件中断 vient d'un programme : division par zéro, instruction invalide, tentative d'utilisation d'une mémoire dont on ne dispose pas, ou demande de service OS. Le gesteur d'interruptions 中断处理程序 de l'OS sauvegarde l'état du processus en cours, traite l'interruption, puis restaure le processus (le sujet 4 couvre le détail prélever-exécuter).

Logiciels utilitaires

Programmes utilitaires 实用程序 sont des logiciels système qui entretiennent, réparent ou optimisent l'ordinateur plutôt que d'accomplir une tâche utilisateur ; l'examinateur accepte "effectue une tâche de maintenance spécifique qui améliore les performances ou la sécurité". La plupart des OS les incluent :

• formateur de disque — prépare un nouveau disque (ou efface un ancien) pour utilisation : configure son système de fichiers et ses partitions, supprimant toute donnée existante.
• scanneur de virus (antivirus 杀毒软件) — scanne les fichiers et la mémoire, compare le code contre une base de données de signatures connues de virus signatures 签名 et surveille les comportements suspects, puis met en quarantaine ou supprime ce qu'il trouve ; s'exécute selon un planning et à chaque téléchargement, et doit être mis à jour au fur et à mesure de l'apparition de nouveaux virus.
• logiciel de défragmentation (défragmentateur de disque 碎片整理) — un disque dur stocke un fichier dans les blocs libres disponibles, donc après de nombreux enregistrements et suppressions, un fichier est dispersé (fragmenté 碎片化) sur le plateau et la tête de lecture/écriture doit sauter entre les morceaux. Le défragmentateur regroupe les morceaux de chaque fichier côte à côte et rassemble l'espace libre en une seule région, afin que les fichiers se chargent plus vite et que les nouveaux fichiers ne soient pas fragmentés. Inutile sur un SSD, qui n'a pas de tête mobile.
• analyse de contenu de disque / logiciel de réparation de disque — montre ce qui occupe l'espace disque (fichiers volumineux, dupliqués ou temporaires) pour pouvoir les supprimer ; trouve et répare les secteurs défectueux, clusters perdus et erreurs de système de fichiers.
• compression de fichiers (compression 压缩) — réduit la taille des fichiers pour qu'ils nécessitent moins de stockage et se transmettent plus vite ; l'archivage regroupe de nombreux fichiers en un seul.
• logiciel de sauvegarde (backup 备份) — copie des fichiers vers un autre support (disque externe, réseau, cloud) selon un planning pour restaurer les données après perte, corruption ou attaque de ransomware ; une copie complète est suivie de sauvegardes incrémentielles 增量备份 de seuls les éléments modifiés.
• non pare-feu 防火墙 (filtre le trafic réseau selon des règles) et des outils de chiffrement, pour la sécurité ; un moniteur système et des mises à jour automatiques.

Inclure ces outils avec l'OS économise à l'utilisateur l'installation de chacun séparément.

Quel utilitaire fait quoi. Performances : défragmentation (accès aux fichiers plus rapide), réparation de disque (un disque avec des erreurs est lent ou échoue), analyse de contenu de disque (libération d'espace en supprimant les ordures), compression (plus de place sur le disque). Sécurité : scanneur de virus, pare-feu, chiffrement et sauvegarde (la seule récupération possible face au ransomware). Une question "tirer une ligne" associe chaque utilitaire à exactement une finalité — apprenez les paires ci-dessus et utilisez les noms du syllabus.

Exemple résolu. Expliquez comment la défragmentation peut améliorer les performances d'un ordinateur (3 points).

Au fil du temps, un fichier est stocké dans des blocs dispersés sur le disque dur, donc sa lecture nécessite de nombreux mouvements de la tête de lecture/écriture. Le défragmentateur réorganise les blocs pour que chaque fichier soit stocké de manière contiguë et que l'espace libre soit groupé. Les fichiers sont ensuite lus avec moins de mouvements de tête, ils se chargent donc plus vite, et les nouveaux fichiers peuvent être écrits dans un espace continu.

Une bibliothèque de programmes 程序库 est du code pré-écrit (sous-routines 子程序, classes, modules) que les programmes réutilisent au lieu de l'écrire eux-mêmes — par exemple, une bibliothèque mathématique, une bibliothèque réseau, une bibliothèque graphique.

Avantages : gain de temps (code tout fait), fiabilité (bien testé, largement utilisé) et standardisation (comportement cohérent).

La liste des avantages pour l'examinateur, du point de vue du développeur. Les routines de bibliothèque 库例程 sont déjà écrites et testées, ce qui rend le développement plus rapide et moins coûteux ; elles sont fiables et, étant utilisées par de nombreux programmes, largement exemptes d'erreurs ; le développeur n'a pas besoin d'expertise dans ce domaine (graphismes, compression, cryptage, recherche de chemin) ; le programme est plus facile à maintenir car le code commun se trouve au même endroit ; et une équipe entière peut utiliser les mêmes routines, garantissant des résultats cohérents. Inconvénients : une routine peut ne pas faire exactement ce dont vous avez besoin et vous ne pouvez pas la modifier ; votre programme dépend de la disponibilité, de la correction et de la sécurité de la bibliothèque — un bogue ou une faille de sécurité dans la bibliothèque constitue un bogue dans votre programme ; et vous devez apprendre comment l'appeler.

• une bibliothèque statique 静态库 est copiée dans l'exécutable au moment de la compilation (elle fonctionne seule, mais est plus volumineuse et nécessite une recompile pour être mise à jour).
• une bibliothèque dynamique 动态库 (DLL, Dynamic Link Library ; .so) est chargée en temps d'exécution (exécutables plus petits, partagés entre plusieurs programmes, mis à jour une fois pour toutes).

Fichiers Dynamic Link Library (DLL). Une DLL est une bibliothèque chargée en mémoire uniquement lorsqu'un programme l'appelle, en temps d'exécution, et reste sous forme de fichier séparé plutôt que d'être copiée dans l'exécutable. Avantages : l'exécutable est plus petit ; plusieurs programmes en cours d'exécution partagent une seule copie de la DLL en mémoire ; une DLL peut être mise à jour (correction de bogue, nouvel appareil) sans recompiler les programmes qui l'utilisent ; et la mémoire n'est utilisée que tant que la routine est nécessaire. Inconvénients : le programme ne s'exécutera pas si la DLL est absente, déplacée ou si sa version est incorrecte ; une DLL mise à jour peut casser un programme qui comptait sur l'ancien comportement ; et une fausse DLL placée à sa place s'exécute avec les droits du programme.

Exemple résolu. Une équipe écrivant un logiciel pour un robot restaurant utilise une bibliothèque de programmes incluant une routine pour trouver le chemin le plus court entre les tables. Expliquez deux avantages et un inconvénient pour l'équipe.

Avantages : la routine est déjà écrite et testée, donc l'équipe gagne du temps et peut se fier au résultat ; l'équipe n'a pas besoin de comprendre elle-même les algorithmes de recherche de chemin et peut consacrer ce temps aux fonctionnalités propres du robot. Inconvénient : la routine peut ne pas gérer les besoins exacts du restaurant (chaises mobiles, couloirs sens unique) et l'équipe ne peut pas la modifier, ils doivent donc contourner ses limites.

Vous écrivez du code source ; l'ordinateur exécute le code machine 机器码. Un traducteur 翻译器 assure la conversion entre les deux.

Assembleur

Un assembleur 汇编er traduit le langage assembleur 汇编语言 en code machine : chaque instruction mnémotechnique (LDD, ADD, JMP) devient exactement une instruction de code machine, et les adresses symboliques et les étiquettes sont remplacées par des adresses réelles. Il est nécessaire car le processeur n'exécute que du code machine, et l'assembleur est utilisé lorsque le programmeur a besoin d'un contrôle direct du matériel (systèmes embarqués, pilotes de périphériques).

Compilateur

Un compilateur 编译器 traduit un programme de haut niveau en code machine une seule fois, avant son exécution. - il signale tous les erreurs au moment de la compilation ; une fois propre, il produit un exécutable 可执行文件 autonome qui s'exécute sans que le compilateur soit installé et peut être lancé de nombreuses fois. - généralement plus rapide en temps d'exécution (aucune traduction pendant l'exécution), mais lié à un CPU/OS spécifique — recompiler pour chaque plateforme.

• il signale toutes les erreurs au moment de la compilation ; une fois propre, il produit un exécutable 可执行文件 autonome qui s'exécute sans que le compilateur soit installé et peut être exécuté plusieurs fois.
• généralement plus rapide à l'exécution (pas de traduction pendant l'exécution), mais lié à un seul CPU/OS — recompiler pour chaque plateforme.

La description en deux points : un compilateur traduit le programme entier en langage machine (code objet 目标代码) avant qu'il ne soit exécuté, produit un fichier exécutable et signale toutes les erreurs de syntaxe ensemble sous forme de liste à la fin de la traduction. Il n'exécute pas le programme.

Interprète

Un interprète 解释器 traduit et exécute un programme de haut niveau ligne par ligne, ne produisant aucun exécutable. - il signale une erreur lorsqu'il atteint cette ligne, puis s'arrête ; vous pouvez la corriger et continuer — excellent pour le développement. - l'interprète doit être installé pour exécuter le programme ; généralement plus lent (chaque exécution entraîne une re-traduction), mais facile à porter sur différentes plateformes.

• il signale une erreur lorsqu'il atteint cette ligne, puis s'arrête ; vous pouvez la corriger et continuer — bon pour le développement.
• l'interpréteur doit être installé pour exécuter le programme ; généralement plus lent (chaque exécution re-traduit), mais facile à porter sur différentes plateformes.

La description en deux points : un interpréteur traduit une instruction du programme de haut niveau à la fois et l'exécute immédiatement avant de passer à la suivante ; aucun fichier exécutable n'est produit ; il s'arrête à la première erreur rencontrée et la signale. Le code source et l'interpréteur doivent être présents à chaque exécution du programme.

Choisir entre eux

Avantages et inconvénients, tels que listés par le barème.

Exemple corrigé. Un développeur utilise un interpréteur pendant l'écriture d'un programme et un compilateur lorsqu'il est terminé. Expliquez comment chacun est utilisé (4 points).

Pendant le développement, l'interpréteur exécute le programme partiellement écrit immédiatement, sans attendre une traduction complète ; lorsqu'il rencontre une erreur, il signale la ligne, afin que le développeur la corrige et relance immédiatement — un cycle éditer-exécuter rapide plus facile pour le débogage. Lorsque le programme est terminé, le compilateur traduit l'ensemble du programme en un exécutable qui s'exécute plus rapidement, ne nécessite pas de traducteur sur l'ordinateur de l'utilisateur et ne révèle pas le code source, il peut donc être vendu au public.

Hybride : Java

La formule du syllabus est « partiellement compilé et partiellement interprété » : l'étape de compilation détecte les erreurs de syntaxe et produit un bytecode compact et portable 可移植 ; l'étape d'interprétation permet à ce seul fichier bytecode de s'exécuter sur n'importe quelle machine disposant d'une machine virtuelle, au détriment de la vitesse. Java en mode console (un programme texte lancé depuis la ligne de commande) est l'exemple du syllabus.

La phrase du syllabus est « partiellement compilé et partiellement interprété » : l'étape du compilateur détecte les erreurs de syntaxe et produit du bytecode compact et portable 可移植的 ; l'étape d'interprétation permet à ce fichier bytecode unique de s'exécuter sur n'importe quelle machine disposant d'une machine virtuelle, au prix d'une certaine vitesse. Java en mode console (un programme texte lancé depuis la ligne de commande) est l'exemple du syllabus.

Exemple résolu. Le code source Java est compilé en bytecode, qu'une JVM interprète ensuite. Pourquoi utiliser les deux au lieu de compiler directement vers du code machine ? Un compilateur produit du code machine pour non processeur et système d'exploitation spécifiques, donc un programme compilé sur une machine ne s'exécutera pas sur une autre. Le compilateur Java cible au contraire une machine virtuelle, de sorte que le bytecode produit est identique partout ; chaque plateforme fournit alors sa propre JVM pour interpréter ce bytecode en ses propres instructions natives. Un seul fichier compilé s'exécute donc partout où une JVM existe — « écrire une fois, exécuter partout ». Le prix est la vitesse : interpréter du bytecode est plus lent que d'exécuter du code natif, c'est pourquoi une vraie JVM utilise également la compilation JIT pour convertir le bytecode fréquemment exécuté en code natif pendant l'exécution du programme. Nommez les deux aspects — les marks sont attribués à la portabilité achetée au prix de la vitesse.

Exemple corrigé. Le code source Java est compilé en bytecode, qu'une JVM interprète ensuite. Pourquoi utiliser les deux, plutôt que de compiler directement en code machine ? Un compilateur produit du code machine pour non processeur et système d'exploitation donnés, donc un programme compilé sur une machine ne fonctionnera pas sur une autre. Le compilateur Java cible à la place une machine virtuelle, donc le bytecode qu'il produit est identique partout ; chaque plateforme fournit ensuite sa propre JVM pour interpréter ce bytecode en ses propres instructions natives. Un fichier compilé unique fonctionne donc partout où une JVM existe - « écrire une fois, exécuter partout ». Le prix est la vitesse : l'interprétation du bytecode est plus lente que l'exécution de code natif, c'est pourquoi une vraie JVM utilise également la compilation JIT pour transformer le bytecode fréquemment exécuté en code natif pendant l'exécution du programme. Nommez les deux côtés - les points sont accordés pour la portabilité achetée au prix de la vitesse.

Un environnement de développement intégré 集成开发环境 (IDE) regroupe les outils pour écrire, tester et déboguer le code dans une seule application :

Le syllabus classe les fonctionnalités en quatre catégories. Apprenez quelle fonctionnalité appartient à quel groupe, car les questions vous demanderont de les classer et de décrire une fonctionnalité de chaque groupe.

Le syllabus regroupe les fonctionnalités en quatre catégories. Apprenez quelle fonctionnalité appartient à quel groupe, car les questions vous demandent de les trier et d'en décrire une de chaque groupe.

• Pour la programmation : les invites contextuelles 上下文相关提示 — au fur et à mesure que vous tapez, l’IDE affiche les identifiants, mots-clés ou paramètres qui conviennent à cet endroit du code ; la complétion automatique 自动补linine le nom pour vous ; l’indentation automatique et la correspondance des parenthèses maintiennent la mise en forme correcte pendant la saisie.
• Pour la détection initiale des erreurs : vérifications de syntaxe dynamiques 动态语法检查 — l'éditeur vérifie la syntaxe au fur et à mesure de la saisie et souligne ou met en surbrillance une erreur immédiatement, avant la traduction du programme ; après la traduction, messages d'erreur avec numéros de ligne.
• Pour la présentation : prettyprint 代码美化 — les mots-clés, identifiants, chaînes et commentaires affichés dans différentes couleurs ou polices (surbrillance de syntaxe 语法高亮) avec une indentation cohérente, afin que la structure soit visible en un coup d'œil ; développer et réduire les blocs de code — masquer le corps d'une boucle, d'un IF ou d'une sous-routine pour voir le plan.
• Pour le débogage : les breakpoints 断点 — le programme s'arrête lorsqu'il atteint une ligne marquée ; le single stepping 单步执行 — à partir de l'arrêt, exécuter une ligne à la fois ; une fenêtre qui affiche les valeurs actuelles des variables et expressions 随着它们变化；et une report window 报告窗口 qui liste les erreurs, les avertissements et la sortie.

Autres fonctionnalités : intégration du traducteur (compiler ou exécuter avec une touche unique, erreurs affichées en ligne), un debugger 调试器 qui pilote les fonctionnalités de débogage ci-dessus, intégration au version control 版本控制 (git), gestion de projet, système d'aide, outils de refactoring 重构 (renommage sécurisé) et intégration aux unit test 单元测试。

Un IDE accélère le développement en regroupant écrire → exécuter → déboguer → corriger derrière une seule interface. IDEs courantes : Visual Studio, PyCharm, Eclipse, VS Code.

Exemple résolu. Une fonction Calculate() retourne une valeur inattendue lorsque le programme s'exécute. Décrivez comment les fonctionnalités de débogage d'une IDE typique aident à trouver la cause (4 points).

Définissez un breakpoint sur la première ligne de Calculate(), afin que le programme s'y arrête plutôt que de passer tout simplement. Ensuite, effectuez un single-step à travers la fonction, une ligne à la fois. Après chaque étape, lisez les valeurs des variables et de toute expression que vous avez demandé à l'IDE de watch (surveiller), et comparez-les avec les valeurs attendues ; la première ligne après laquelle une valeur est incorrecte est là où se trouve l'erreur logique. La report window affiche tout message d'erreur d'exécution et la sortie produite jusqu'alors.

Exemple résolu. Placez chaque fonctionnalité dans son groupe de syllabus : prettyprint, invitation contextuelle, vérification syntaxique dynamique, breakpoint, réduire/étendre les blocs de code, fenêtre de rapport.

Codage : invitation contextuelle. Détection initiale d'erreurs : vérification syntaxique dynamique. Présentation : prettyprint, réduction/étirement des blocs de code. Débogage : breakpoint, fenêtre de rapport.

Une question de définition est notée selon un libellé fixe. Apprenez-les exactement et ne donnez qu'une seule réponse.

• Énumérez les tâches du OS par leurs noms de syllabus (gestion de la mémoire, des processus, du matériel, des fichiers et de la sécurité) et dites ce que chacune fait — "gérer les ressources" seul est trop vague.
• Comparez compiler vs interpreter vs assembler : ce que chacun traduit, quand il le traduit, et comment les erreurs sont signalées.
• Expliquez ce qu'une IDE fournit en utilisant les groupes de syllabus : codage, détection initiale d'erreurs, présentation, débogage.
• Une réponse "avantage pour le développeur" nomme l'économie du développeur : temps, coût, expertise, fiabilité ou maintenance. Un "inconvénient" nomme une dépendance : disponibilité, version, adaptation, sécurité.
• Pour "décrire le fonctionnement" d'un traducteur, donnez trois choses : ce qui est traduit (programme entier ou une instruction), quand (avant l'exécution ou pendant l'exécution), et comment les erreurs sont signalées (toutes en même temps ou à la première erreur).

Erreurs courantes

• Écrire "le OS contrôle l'ordinateur" ou "gère les ressources" sans exemple de tâche. Chaque marque correspond à une tâche nommée avec ce qu'elle fait.
• Dire qu'un interpreter "compile ligne par ligne". Un interpreter traduit et exécute chaque instruction ; il ne produit jamais un exécutable.
• Dire qu'un compilateur exécute le programme. Il traduit seulement ; l'exécutable s'exécute plus tard, sans le compilateur.
• Placer une DLL "à l'intérieur" de l'exécutable. C'est une bibliothèque statique ; une DLL reste un fichier séparé chargé en temps d'exécution.
• Dire que la défragmentation "supprime" ou "compresse" les fichiers, ou qu'elle est nécessaire sur un SSD. Elle ne déplace que les blocs pour que chaque fichier soit stocké de manière contiguë.
• Classer le prettyprint ou la réduction des blocs sous "débogage". Ce sont des fonctionnalités de présentation ; le débogage concerne les breakpoints, le single stepping, la surveillance des variables et la fenêtre de rapport.