Périphériques d'ordinateur : types, fonctionnement et caractéristiques techniques

1. Définition et types de périphériques

Les unités périphériques sont des dispositifs qui permettent à l'ordinateur de communiquer avec le monde extérieur, ainsi que d'entreposer l'information, agissant comme auxiliaires de la mémoire principale. Ils effectuent les opérations d'entrée/sortie (E/S) des données complémentaires aux processus de l'unité centrale (CPU).

Les périphériques se classent en 5 catégories principales :

• Périphériques d'entrée : capturent et envoient des données à l'ordinateur pour traitement.
• Périphériques de sortie : présentent à l'utilisateur les informations produites par l'ordinateur, sous forme visuelle, sonore ou imprimée.
• Périphériques d'entrée/sortie (E/S) : reçoivent des données de l'extérieur et en envoient à l'ordinateur, ou inversement, pour leur traitement ultérieur par le CPU.
• Périphériques de stockage : conservent les données et informations pendant une longue durée. La RAM ne peut pas être considérée comme un périphérique de stockage, car sa mémoire est volatile et temporaire.
• Périphériques de communication : permettent la communication entre machines ou avec d'autres ordinateurs, pour envoyer et recevoir des informations.

2. La webcam : résumé

Les webcams numériques connectent l'appareil photo à un ordinateur, capturent des images et les transmettent en direct par Internet. L'ordinateur reçoit les images qu'il doit traiter. Cependant, d'autres caméras nécessitent seulement un point d'accès à l'informatique, qu'il soit filaire ou sans fil. On les distingue des webcams logicielles, qui sont des caméras virtuelles.

La caméra prend une image (appelée « frame ») de temps en temps, qui peut être une image statique, et l'envoie à être vue ailleurs. Si l'on souhaite des images sans saccades, la webcam doit capturer entre 15 et 30 images par seconde. Elle comprend une lentille, un capteur d'images et les circuits électroniques nécessaires. Il existe différents types de lentilles, les plus courantes étant en plastique.

3. Qu'est-ce qu'un scanner ? Types

Un scanner permet de convertir un document physique, grâce à la lumière, en image au format numérique. Les scanners peuvent comporter des accessoires comme un chargeur automatique de documents ou un adaptateur pour diapositives et transparents. Grâce aux techniques d'OCR, on peut ensuite corriger les défauts de l'image numérique, la recadrer ou convertir le texte.

Il existe plusieurs types de scanners, dont les principaux sont aujourd'hui :

• Scanner à plat : le document est placé face vers le bas sur une vitre plate, généralement opaque. Un bras mobile se déplace le long du document ; il porte la source de lumière et le capteur photo (en général un CCD).
• Scanner à livres (orbital) : ce type de scanner est utilisé pour numériser des livres ou des documents anciens et très précieux, sans les endommager. Il est constitué d'un bras-caméra qui prend des photos en fonction du déplacement de la page. Son principal avantage est que les livres n'ont pas besoin d'être ouverts complètement.
• Scanner à tambour : il produit des copies fidèles à l'original, avec une très haute résolution (jusqu'à 4 000 ppp optiques) et une grande qualité. Ses inconvénients sont la lenteur du balayage, la nécessité de documents non fragiles, car le document doit être manipulé, et son coût élevé.
• Scanner à main : ce sont des dispositifs que l'on fait glisser manuellement sur la surface du document. Il faut tenir le scanner d'une main ferme et régulière ; une vitesse de balayage irrégulière fausse l'image, qui est alors souvent avertie par le logiciel si le balayage est trop rapide.

4. La qualité du scanner et comment le scanner fonctionne

La profondeur de couleur dépend des caractéristiques du scanner, qui définissent sa qualité de base. Elle est généralement d'au moins 24 bits. Avec 48 bits, on obtient une meilleure qualité et une plus grande profondeur de couleur.

Un autre paramètre très important est la résolution, mesurée en pixels par pouce (ppp). Les fabricants préfèrent souvent indiquer la résolution interpolée, plus élevée grâce à l'interpolation logicielle, plutôt que la résolution optique réelle.

Le paramètre le plus important pour une qualité optimale est la plage de densité. Si le scanner possède une plage de densité élevée, il est capable de restituer les ombres et les lumières en un seul passage. Le balayage s'effectue en niveaux de gris, même s'il peut aussi se faire en couleur.

La plupart des scanners sont capables de numérisation recto verso à vitesse maximale (20 à 150 pages par minute). Les modèles les plus sophistiqués intègrent un micrologiciel qui élimine les marques accidentelles. Les données numérisées sont généralement compressées à la volée. La plupart des documents numérisés sont convertis en fichiers modifiables grâce à la technologie OCR. Grâce aux pilotes TWAIN et ISIS, le document est enregistré au format TIFF, puis les pages numérisées peuvent être transférées vers un traitement de texte qui enregistre le fichier correspondant.

5. Convertisseurs analogique-numérique et numérisation

Un convertisseur analogique-numérique (CAN ou ADC) est un dispositif électronique capable de transformer des signaux analogiques en signaux numériques. Il dispose d'une entrée (signal analogique) et d'une sortie (numérique), et sa résolution dépend de la valeur maximale d'entrée et du nombre maximal de bits de sortie.

La numérisation, ou conversion analogique-numérique (conversion A/N), consiste à effectuer périodiquement des mesures de l'amplitude (tension) du signal analogique (par exemple, celui d'un microphone, d'un sismographe ou d'un oscilloscope), à arrondir ces valeurs à des niveaux de tension prédéfinis (niveaux de quantification), puis à les enregistrer sous forme de nombres dans une mémoire ou un support.

6. Écran tactile : qu'est-ce que c'est et à quoi sert-il ?

L'écran tactile permet, par contact direct sur sa surface, une saisie de données de haute qualité dans le dispositif. C'est à la fois un périphérique d'entrée et de sortie, car il affiche les résultats des actions effectuées. Les écrans tactiles sont populaires dans les téléphones portables et dans de nombreuses situations industrielles, comme les expositions ou les bornes d'information, où l'interaction doit être satisfaisante, intuitive, rapide et précise pour l'utilisateur.

7. Carte graphique : GPU, mémoire vidéo, interfaces et types

La carte graphique est une carte d'extension de l'ordinateur chargée de traiter les données de l'unité centrale et de les transformer en informations compréhensibles et représentables sur un dispositif de sortie, comme un moniteur ou un téléviseur. Les cartes les plus courantes sont compatibles avec les ordinateurs IBM PC.

Le GPU (processeur graphique) est un processeur dédié au traitement graphique. Sa tâche est de décharger le processeur central de la charge de travail graphique : il est optimisé pour les calculs en virgule flottante, qui prédominent dans les fonctions 3D. Le GPU est la partie la plus importante de la carte.

La mémoire vidéo, ou VRAM, a une taille variant de 128 Mo à 1 Go. Les types de mémoire utilisés incluent DDR, DDR2, GDDR3, GDDR4 et GDDR5. La fréquence d'horloge de la mémoire est comprise entre 400 MHz et 1,8 GHz. La mémoire tampon Z (Z-buffer), chargée de gérer les coordonnées de profondeur des images 3D, est une partie importante de la carte.

8. API graphiques et effets graphiques

Il existe plusieurs API graphiques, dont les deux plus importantes sont :

• DirectX (Direct3D) : lancé par Microsoft en 1996, fait partie de la bibliothèque DirectX. Il ne fonctionne que sous Windows et est utilisé par la plupart des jeux vidéo commercialisés pour Windows.
• OpenGL : créé par Silicon Graphics au début des années 1990, il est libre et multiplateforme. Il est principalement utilisé en CAO, en réalité virtuelle ou en simulation de vol, et tend à être remplacé dans le marché des jeux vidéo par Direct3D.

Parmi les techniques et effets graphiques couramment générés par les cartes graphiques :

• Antialiasing : évite l'effet d'aliasing, qui rend les courbes et droites irrégulières sur l'espace discret des pixels.
• Shading : traitement des pixels pour des effets d'éclairage avancés, des surfaces non naturelles et des couches multiples.
• Dithering : technique permettant de représenter une gamme de niveaux de couleur plus étendue dans les scènes (lumière, ombres portées).
• Mapping de textures : ajoute des détails aux surfaces sans augmenter la complexité géométrique des modèles.
• Motion blur : flou dû au déplacement rapide d'un objet.
• Depth of field (profondeur de champ) : flou obtenu lorsqu'un objet est hors de la zone de netteté.
• Flare lens : effets de reflets produits par les sources lumineuses sur la caméra.
• Effet de Fresnel (réflexion spéculaire) : la réflexion dépend de l'angle de vue par rapport à la normale de la surface ; plus l'angle est grand, plus la réflexion est forte.

9. Moniteurs : résumé et types

Le moniteur est le dispositif de sortie qui affiche les informations produites par l'ordinateur. Depuis les premiers écrans monochromes à phosphore vert, la technologie a évolué avec la fabrication de cartes graphiques toujours plus performantes. On trouve différents types d'écrans :

• CRT (tube cathodique) : l'écran, semblable à un téléviseur classique, traduit en images les signaux envoyés par la carte graphique. Un canon à électrons projette les électrons contre la surface de l'écran, recouverte de phosphore.
• LCD : écran plat formé d'un grand nombre de pixels en couleur ou en monochrome, placés devant une source lumineuse réfléchissante.
• TFT-LCD : variante des écrans à cristaux liquides (LCD) utilisant la technologie des transistors en couche mince (TFT), qui permet d'améliorer la qualité de l'image. Le TFT-LCD est un type de LCD à matrice active, bien que les deux termes soient généralement synonymes. Il est utilisé dans les téléviseurs, les projecteurs et les écrans d'ordinateur.
• Plasma : type d'écran utilisé pour les grands téléviseurs à écran plat (à partir d'environ 37 pouces, soit 940 mm). Il est composé de deux panneaux de verre entre lesquels se trouve un mélange de gaz nobles (néon et xénon).
• OLED : écran basé sur des diodes organiques électroluminescentes, qui émettent leur propre lumière lorsqu'elles sont stimulées électriquement. Ses principaux avantages sont un coût moindre, une meilleure scalabilité, des couleurs et contrastes plus intenses, un angle de vision plus large, une consommation réduite et, dans certaines technologies, une grande flexibilité. Sa durée de vie est cependant limitée par la dégradation des matériaux organiques.

10. Cartes son : internes ou externes ?

La carte son est une carte d'extension de l'ordinateur qui permet une entrée et une sortie audio de haute qualité, sous le contrôle d'un programme informatique. La qualité sonore ne dépend pas du fait que la carte soit interne ou externe, mais surtout de ses composants et des fabricants. Les cartes externes ont été conçues pour offrir des produits de haute qualité et de haute performance, face aux cartes intégrées à la carte mère, qui peuvent être plus limitées.

11. Caractéristiques techniques des cartes son : bits, kHz, etc.

Une carte son comprend généralement une puce qui inclut un convertisseur analogique-numérique, dont la fonction essentielle est de « traduire » les ondes sonores enregistrées en signaux numériques, et inversement.

Les cartes son actuelles travaillent en 16 ou 24 bits. Plus il y a de bits, plus le nombre de valeurs représentables est grand, et meilleure est la qualité sonore. Les cartes grand public fonctionnent généralement à une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kHz, et certaines jusqu'à 48 kHz. Les cartes professionnelles travaillent souvent à 48 kHz, voire 96 ou 192 kHz, et certains modèles dépassent même 100 kHz.

12. Structure interne et disque logique

La structure interne d'un disque dur repose sur les éléments suivants :

• Plateau : chacun des disques qui se trouvent à l'intérieur du disque dur.
• Face : chacune des deux faces d'un plateau.
• Tête : numéro des têtes de lecture/écriture.
• Piste : circonférence à l'intérieur d'une face. La piste 0 se trouve sur le bord extérieur.
• Cylindre : ensemble de pistes de même rayon, alignées verticalement sur toutes les faces.
• Secteur : divisions de chaque piste. La taille du secteur n'est pas fixe, mais la norme actuelle est de 512 octets. Anciennement, le nombre de secteurs par piste était fixe, ce qui gaspillait beaucoup d'espace, car les pistes extérieures peuvent contenir plus de secteurs que les pistes intérieures.

Sur le disque se trouvent :

• Le secteur de démarrage (boot record) : le premier secteur, qui contient la table des partitions (un disque logique peut contenir plusieurs partitions, pouvant accueillir des systèmes identiques ou différents).
• Les partitions : nécessaires pour placer des systèmes de fichiers comme FAT, NTFS, Linux (ext), etc.

13. Interfaces du disque dur : standard, EIDE et SCSI

L'interface est un composant électronique qui gère le flux de données entre le disque dur et le système. Elle détermine notamment le format, le taux de transfert et la vitesse. Les plus importantes actuellement sont :

• Norme IDE : sa caractéristique la plus représentative était le contrôleur intégré au disque dur lui-même. Elle permettait des transferts allant jusqu'à 4 Mo par seconde, simplifiait l'installation et la configuration des disques durs, et répondait aux exigences du marché de l'époque.
• EIDE (Enhanced IDE) : offre une meilleure flexibilité et de meilleures performances. Elle permet une capacité plus importante, pouvant aller jusqu'à 8,4 Go, et des taux de transfert à partir de 10 Mo par seconde. Elle permet également l'utilisation de deux canaux, chacun pouvant accueillir deux périphériques.
• SATA (Serial ATA) : nouvelle norme, apparue en 2004, qui utilise une connexion série pour la transmission des données. Elle est nettement plus rapide et efficace que l'IDE. Il existe deux versions : SATA 1, avec un débit de 150 Mo/s (18,75 Mo/s en pratique), et SATA 2, avec un débit de 300 Mo/s (37,5 Mo/s en pratique).
• Standard SCSI (Small Computer System Interface) : cette interface était traditionnellement réservée aux environnements professionnels, pour ses performances et sa fiabilité. Le bus SCSI est indépendant du bus système, ce qui évite les limitations du PC. Dans sa version la plus récente, elle permet de connecter jusqu'à 7 ou 8 périphériques SCSI à un même contrôleur. Ses avantages ne se limitent pas au nombre de périphériques, mais aussi au type : on peut connecter pratiquement n'importe quel dispositif (scanners, imprimantes, lecteurs de CD-ROM, unités amovibles, etc.), avec des performances bien supérieures, sans dépendre du système.

14. CD : comment fonctionne un enregistrement de CD ?

Le CD est un support de stockage optique numérique qui permet de conserver n'importe quel type d'information. Lorsqu'on enregistre un CD-R, la surface se marque de façon irréversible.

Le lecteur de CD peut lire le code binaire (au format défini), puis le décoder pour restituer le son, les données, les images, le texte, etc. Le graveur et les creux (pits) modifient la réflectivité de la surface du CD. Les creux sont les zones où le laser a le plus de puissance, qui chauffent la surface jusqu'à environ 250 °C pour la marquer.

15. Différences entre les technologies CD, DVD et Blu-ray : vitesses de lecture et capacités

Les CD utilisent un faisceau laser infrarouge d'une longueur d'onde de 780 nm, tandis que les lecteurs DVD utilisent un laser rouge de 635 ou 650 nm. Les lecteurs de CD fonctionnent généralement avec une tache laser de 0,5, alors que les lecteurs de DVD disposent d'une tache de 0,6.

Le Blu-ray fonctionne avec une technologie laser basée sur celle des CD et DVD existants, avec de petites pistes creuses qui réfléchissent le laser. Il utilise un laser bleu-violet d'une longueur d'onde de 405 nm, qui permet une qualité de lumière plus précise et une portée plus élevée qu'un laser rouge.

• CD : 120 mm de diamètre, avec une durée audio de 74 à 80 minutes et une capacité de données de 650 à 700 Mo. Les CD de 80 mm (CD single ou mini-CD), conçus initialement pour les singles, peuvent contenir 21 minutes d'audio ou 210 Mo de données.
• DVD : DVD-5 (4,7 Go), DVD-9 (8,5 Go), DVD-10 (9,4 Go), DVD-17 (18 Go).
• Blu-ray : actuellement, capacité de stockage de 50 Go en double couche et 25 Go en simple couche.

16. Mémoire flash : à quoi sert-elle ?

La mémoire flash est une forme évoluée de la mémoire EEPROM, qui permet de lire, d'écrire et d'effacer des données dans de multiples emplacements, avec une grande rapidité. Contrairement aux anciennes EEPROM, qui ne permettaient d'effacer qu'un seul emplacement à la fois, la mémoire flash permet un travail très rapide lorsque le système lit, écrit et efface simultanément plusieurs points mémoire.

Elle est utilisée dans les périphériques à batterie tels que les téléphones portables, les PDA, les appareils électroménagers, les appareils photo numériques, les lecteurs audio portables, etc.

17. Modem : qu'est-ce que c'est ?

Le modem est un périphérique qui permet à l'ordinateur de convertir le langage binaire (numérique) en tonalités audio (analogique). Ces tonalités peuvent ensuite être transmises à travers une ligne téléphonique. Le second modem, situé à l'autre extrémité de la ligne, reçoit les tonalités et les reconvertit en code binaire compréhensible par les ordinateurs. Ce processus s'appelle la modulation et la démodulation (abrégées MODEM).

18. Modem ADSL

L'ADSL est un type de ligne DSL qui consiste à transmettre des données numériques sur une paire de câbles symétriques, en même temps que la ligne téléphonique classique, sans l'interférer. Il est limité à environ 5,5 km de la centrale. Il permet un accès à Internet à haut débit, car il utilise les fréquences plus élevées que celles utilisées pour les conversations téléphoniques (environ 300 à 3 800 Hz). Le modem ADSL assure cette fonction de routage.

19. Carte réseau : résumé général

Les cartes réseau permettent une communication de haute qualité entre différents ordinateurs connectés en réseau, et permettent également de partager des ressources comme des disques durs, des lecteurs de CD-ROM ou des imprimantes. Elles sont aussi appelées NIC (Network Interface Card).

Il existe différents types d'adaptateurs selon l'architecture de câblage utilisée (câble coaxial fin, câble coaxial épais, anneau à jeton, etc.). Aujourd'hui, le type le plus courant est l'interface commune avec un connecteur RJ-45. Actuellement, on commence à utiliser les réseaux de 1 000 Mbps (gigabit), et même 10 Gbit/s dans certains cas, en utilisant des câbles à paires torsadées de catégorie 6 et 7, qui fonctionnent à des fréquences plus élevées.

Carte réseau sans fil (Wi-Fi)

Les cartes réseau sans fil (Wireless) existent en différentes variantes selon la norme à laquelle elles se conforment. Les plus courantes sont 802.11a, 802.11b et 802.11g. La norme 802.11b, très populaire, transmet jusqu'à 11 Mbps sur une distance d'environ 100 mètres, et la norme 802.11g atteint 54 Mbps.

Carte Bluetooth

La carte Bluetooth est rapide, facile à utiliser et peu coûteuse. Elle permet de connecter sans fil un PC à n'importe quel périphérique Bluetooth.