Architectures matérielles et systèmes d'exploitation

On utilise le même jeu d'instructions simplifié que dans le cours, complété par SUB Rx, Ry (remplace le contenu de Rx par Rx - Ry). Dérouler la séquence suivante en indiquant le contenu de R0 et R1 après chaque instruction, ainsi que la valeur finalement stockée en mémoire :

1: LOAD R0, 8
2: LOAD R1, 2
3: SUB R0, R1
4: ADD R0, R0
5: STORE R0, 200

On reprend le jeu d'instructions et le cycle d'exécution décrits dans le cours. On exécute l'instruction STORE R0, 100, sachant que le registre R0 contient la valeur 8 au moment de cette instruction.

1. Parmi les trois bus décrits dans le cours (bus d'adresses, bus de données, bus de contrôle), lequel transporte la valeur 100 ? Lequel transporte la valeur 8 ?
2. Quel est le rôle du bus de contrôle lors de l'exécution de cette instruction ?
3. On considère maintenant l'instruction LOAD R1, 3, qui place la valeur immédiate 3 directement dans le registre R1 (rappel du cours : cette instruction ne fait pas intervenir la mémoire). Cette instruction utilise-t-elle l'un des trois bus reliant le processeur à la mémoire pour transmettre la valeur 3 ? Justifier.
4. Le compteur de programme (PC) indique l'adresse de la prochaine instruction à exécuter. Lorsque le processeur va chercher cette instruction en mémoire (étape "Lecture" du cycle), quel bus transporte la valeur du PC vers la mémoire, et quel bus renvoie l'instruction lue par la mémoire ?

On complète le jeu d'instructions du cours avec deux nouvelles instructions :

• MOVE Rx, Ry : copie le contenu de Ry dans Rx (le contenu de Ry reste inchangé) ;
• INC Rx : ajoute 1 au contenu de Rx.

Dérouler la séquence suivante en indiquant le contenu de R0, R1 et R2 après chaque instruction, ainsi que la valeur finalement stockée en mémoire :

1: LOAD R0, 4
2: LOAD R1, 10
3: MOVE R2, R1
4: INC R2
5: ADD R0, R2
6: INC R0
7: STORE R0, 300

D'après un devoir surveillé de NSI Première (2020-2021).

De nombreux simulateurs de processeur utilisés en NSI emploient le jeu d'instructions suivant, un peu différent de celui du cours mais fondé sur les mêmes idées. Le premier opérande est toujours le registre qui reçoit le résultat ; le dernier opérande de ADD et SUB est soit une valeur immédiate, notée avec #, soit un registre.

1. Quelle instruction additionne le nombre 1 et le contenu du registre R2, puis range le résultat dans R0 ?

A. ADD R1, R2, R0 — B. ADD R2, R0, #1 — C. ADD R0, R2, #1 — D. ADD R0, R2, R1

2. Écrire un programme qui calcule la différence entre la valeur stockée à l'adresse mémoire 6 et celle stockée à l'adresse 7 (valeur de l'adresse 6 moins valeur de l'adresse 7), puis range le résultat à l'adresse 18. On utilisera au plus trois registres.

3. La mémoire contient 25 à l'adresse 6 et 9 à l'adresse 7. Donner le contenu des registres et de l'adresse 18 après chaque instruction de votre programme.

4. La mémoire contient 7 à l'adresse 10. Que contient l'adresse 11 après l'exécution du programme suivant ?

LDR R0, 10
ADD R1, R0, #5
ADD R2, R1, R0
STR R2, 11

On considère un message ordinaire, Bonjour, envoyé par une application à travers un réseau. Après son passage à travers plusieurs niveaux de traitement, le paquet réellement transmis sur le réseau a la structure schématique suivante :

[ en-tête liaison | en-tête réseau | en-tête transport | Bonjour ]

1. Quelle partie de ce paquet correspond aux données produites par l'application, c'est-à-dire au message lui-même ?
2. Combien de niveaux de traitement ont ajouté un en-tête à ce message avant son émission sur le réseau ?
3. Pourquoi ajoute-t-on plusieurs en-têtes distincts, plutôt qu'un seul en-tête regroupant toutes les informations nécessaires ?
4. Le destinataire reçoit ce paquet. Dans quel ordre doit-il retirer les en-têtes pour retrouver le message d'origine Bonjour ? Justifier.

Un fichier de 50 500 octets doit être transmis sur un réseau où chaque paquet peut transporter au maximum 1 000 octets de données utiles. Chaque paquet reçoit ensuite, lors de l'encapsulation, un en-tête de 40 octets.

1. Combien de paquets pleins (contenant chacun 1 000 octets de données) sont nécessaires ? Le fichier se découpe-t-il exactement en paquets pleins, ou reste-t-il des données pour un dernier paquet incomplet ?
2. En déduire le nombre total de paquets nécessaires pour transmettre l'intégralité du fichier.
3. Calculer la taille totale (données utiles + en-têtes) effectivement transmise sur le réseau.
4. Calculer le surcoût dû à l'encapsulation, c'est-à-dire le rapport entre la taille totale des en-têtes et la taille initiale du fichier.

L'émetteur souhaite transmettre trois paquets de données à la suite, notés M1, M2 et M3, en utilisant le protocole du bit alterné présenté dans le cours. Le bit de séquence débute à 0. Cette fois, c'est le tout premier envoi du paquet M1 qui est perdu sur le réseau ; tous les envois suivants se déroulent normalement.

1. Dresser, comme dans l'exemple du cours, le tableau étape par étape de cet échange (paquet envoyé, reçu ou non, réponse du récepteur, bit suivant de l'émetteur).
2. Combien de paquets l'émetteur a-t-il dû envoyer au total sur le réseau ?
3. Combien de données le destinataire a-t-il effectivement reçues et traitées, et dans quel ordre ?

On reprend le protocole du bit alterné. L'émetteur envoie un paquet de données noté P, avec le bit de séquence 0. Cette fois, le paquet P est bien reçu par le destinataire (qui le traite normalement), mais c'est l'accusé de réception ACK(0) renvoyé par le destinataire qui se perd sur le chemin du retour, sans jamais parvenir à l'émetteur.

1. Que fait l'émetteur, n'ayant reçu aucun accusé de réception avant l'expiration de son délai ?
2. Le destinataire reçoit alors une deuxième fois un paquet portant le bit 0. Comment sait-il qu'il s'agit d'une retransmission de P, et non d'un nouveau paquet de données ?
3. Le destinataire traite-t-il la donnée P une deuxième fois ? Que se passerait-il si c'était le cas, par exemple si P représentait une opération à effectuer une seule fois (un paiement, un compteur à incrémenter...) ?
4. Pourquoi le destinataire doit-il malgré tout renvoyer un accusé de réception, même s'il ne traite pas la donnée une deuxième fois ?

L'ordinateur d'Inès, d'adresse IP 192.168.1.20, affiche une page d'un site Web hébergé par le serveur 203.0.113.5 et, au même moment, relève ses courriels sur le serveur 198.51.100.7. Le serveur Web écoute sur le port TCP 443 (HTTPS), le serveur de messagerie sur le port 993.

1. Les adresses IP permettent d'acheminer les données jusqu'à la bonne machine. Pourquoi ne suffisent-elles pas à les remettre au bon programme ?
2. Le système d'exploitation de l'ordinateur d'Inès attribue au navigateur le port 51 734 et au logiciel de messagerie le port 50 211. Ces numéros sont choisis dans la plage des ports dynamiques, de 49 152 à 65 535. Recopier et compléter le tableau des deux connexions en cours.

3. Avant tout échange de données, TCP établit la connexion « en trois temps ». Le navigateur envoie un segment SYN avec le numéro de séquence 4200 ; le serveur répond par un segment SYN-ACK portant son propre numéro de séquence, 7700. Compléter :

4. Pendant l'échange, un segment se perd. Comment TCP s'en aperçoit-il et que fait-il ?
5. Pour une visioconférence en direct, on préfère souvent le protocole UDP, qui ne retransmet jamais les données perdues. Pourquoi ?

D'après un TP de NSI Première. Ce TP se réalise avec le logiciel libre de simulation de réseaux Filius : en mode conception (marteau), on construit et configure le réseau ; en mode simulation (triangle vert), on le fait fonctionner.

Partie 1 — Un réseau local. Relier trois ordinateurs à un switch. Leur donner les adresses IP 192.168.1.1, 192.168.1.2 et 192.168.1.3, le masque 255.255.255.0, et les noms PC1, PC2 et PC3. En mode simulation, installer le logiciel « Ligne de commande » sur chaque machine.

1. Sur PC1, la commande ipconfig affiche la configuration de la machine. Relever son adresse MAC, son adresse IP, son masque, et en déduire l'adresse du réseau. Qu'est-ce qu'une adresse MAC ? À quoi sert le masque ?
2. Depuis PC1, saisir ping 192.168.1.2. À quoi sert cette commande ? Que signifie la valeur TTL affichée ?
3. Afficher les échanges de données de PC1. Quels protocoles apparaissent ? Quel est le rôle d'ARP, puis celui d'ICMP ?
4. Que donne ping 192.168.0.20 ? Expliquer.

Partie 2 — Un serveur DHCP. Dans un nouveau réseau, relier un serveur et deux ordinateurs à un switch. Donner au serveur l'adresse 192.168.1.1 (masque 255.255.255.0) et le configurer pour distribuer les adresses de 192.168.1.2 à 192.168.1.10 ; régler les deux ordinateurs pour qu'ils obtiennent leur adresse automatiquement.

5. Vérifier avec ipconfig les adresses obtenues. Quel est le rôle d'un serveur DHCP ?
6. Combien de messages le client et le serveur échangent-ils avant que le client obtienne son adresse ? Les nommer dans l'ordre.
7. Le client envoie son premier message à l'adresse IP 255.255.255.255, depuis l'adresse 0.0.0.0. Pourquoi ?
8. DHCP s'appuie sur UDP et non sur TCP, avec les ports 67 (serveur) et 68 (client). Pourquoi TCP ne conviendrait-il pas ?

Partie 3 — Relier deux réseaux. Un premier réseau local relie les ordinateurs 192.168.0.10 et 192.168.0.11 au switch 1 ; un second relie 192.168.1.10, 192.168.1.11 et 192.168.1.12 au switch 2. On relie les deux switchs à un routeur à deux interfaces.

9. Depuis 192.168.0.10, que donne ping 192.168.1.10 avant toute autre configuration ? Pourquoi ?
10. Proposer une adresse IP pour chacune des deux interfaces du routeur.
11. Le ping échoue encore. Que faut-il renseigner sur chaque ordinateur ? Quel est le rôle de cette information ?
12. Une fois le ping réussi, décrire le chemin suivi par les paquets de 192.168.0.10 vers 192.168.1.10. Combien de sauts (routeurs traversés) compte-t-il ? À quoi sert la table de routage du routeur ?

Banque nationale de sujets 2026 de l'épreuve pratique, sujet n°23 (situation d'évaluation d'une heure).

Trames d'un module de capteurs agricoles

L'entreprise PlovaNuviam développe un module d'acquisition DEMETER, de transmission et de traitement de données environnementales (température, humidité…) pour la prévention de maladies dans les cultures agricoles comme les vignes.

Plusieurs fois par heure, chaque module mesure la température et l'humidité et transmet les données par ondes radio. Ces données sont réceptionnées sur un serveur dont le rôle est de vérifier, d'analyser et de traiter les informations. Le but de ce sujet est de finaliser la programmation du serveur et de répondre à certaines problématiques. Un code Python à corriger et à compléter ainsi qu'un jeu de données sont fournis avec ce document.

Description des données envoyées

Les données mesurées par chacun des modules DEMETER sont envoyées par trames de 40 bits, dont la forme est la suivante :

Pour une trame donnée notée trame et représentée par une chaîne de caractères :

• les 8 premiers bits trame[0:8] correspondent à l'identifiant (ID) du module en binaire classique ;
• les 8 bits suivants trame[8:16] sont une clé de sécurité ;
• les 12 bits suivants trame[16:28] encodent la température. Pour l'obtenir en °C, il faut convertir cette valeur binaire en décimal, lui soustraire 900, puis diviser le tout par 10. Par exemple, 010010001100 vaut 1164 en décimal, ce qui donne (1164 − 900) / 10 = 26.4 °C. Une température inférieure à −10 °C est considérée comme une erreur de mesure ;
• les 8 bits suivants trame[28:36] encodent l'humidité en pourcentage. Attention, elle est codée en décimal codé binaire (BCD) : chaque chiffre décimal est codé séparément sur 4 bits. Par exemple, 01100010 se sépare en 0110 (6) et 0010 (2), ce qui donne 62 %. Exception : 100 % est codé 10100000 ;
• les 4 derniers bits trame[36:40] sont des bits de parité permettant de vérifier l'intégrité des 4 premiers blocs. Le bit de parité vaut 0 si le nombre de « 1 » dans le bloc correspondant est pair, sinon il vaut 1. Par exemple, pour l'ID 00101010, le nombre de « 1 » est impair (3), donc le premier bit de contrôle est 1.

Indication : en Python, l'expression int(chaine, 2) prend une chaîne de caractères contenant l'écriture binaire d'un entier et renvoie cet entier.

Question 1. On dispose d'une classe Transmission dont le rôle est de décoder les informations reçues.

>>> t = Transmission("0010101011001000010010001100011000101101")
>>> t
ID : 42 / Temp. : 26.4°C / Hum. : 62%
>>> t.get_temperature()
26.4

Implémenter les méthodes decoder_temperature et decoder_humidite. Ces méthodes ne renvoient rien, mais modifient directement les propriétés de l'objet. Écrire des tests pour vérifier que ces méthodes décodent bien 26.4 et 62 avec la trame d'exemple de l'énoncé.

Appel professeur — Appeler le professeur pour lui présenter votre réponse ou en cas de difficulté.

Question 2. Écrire la méthode est_valide(self) qui renvoie True si les 4 bits de contrôle correspondent bien à la parité des 4 blocs de données, et False sinon.

Appel professeur — Appeler le professeur pour lui présenter votre réponse ou en cas de difficulté.

Question 3. Le fichier data.txt contient une série de plus de 300 transmissions réelles. Dans le fichier analyse.py, une fonction d'analyse a été écrite pour automatiser le traitement et l'affichage des données valides. Exécuter le fichier analyse.py et identifier les erreurs qui pourraient survenir.

Question 4. Proposer des corrections de la classe Transmission permettant de la rendre plus robuste afin de pouvoir effectuer l'analyse, et commenter l'affichage obtenu.

Appel professeur — Appeler le professeur pour lui présenter votre réponse ou en cas de difficulté.

Fichiers fournis

Le dossier comporte une version PDF de l'énoncé, les codes sources de départ transmission.py et analyse.py et le fichier data.txt (314 trames). La bibliothèque matplotlib doit être disponible.

transmission.py

class Transmission:
 
    def __init__(self, trame):
        self._id = None
        self._temperature = None
        self._humidite = None
        self._trame = trame
 
        self.decoder()
 
    def __repr__(self):
        """ Méthode permettant l'affichage """
        return f"ID : {self._id} / Temp. : {self._temperature}°C / Hum. : {self._humidite}%"
 
    def decoder(self):
        self.decoder_id()
        self.decoder_temperature()
        self.decoder_humidite()
 
    def decoder_id(self):
        # int(s, 2) : conversion binaire -> décimal
        self._id = int(self._trame[0:8], 2)
 
    def decoder_temperature(self):
        pass  # À compléter
 
    def decoder_humidite(self):
        pass  # À compléter
 
    def get_id(self):
        return self._id
 
    def get_temperature(self):
        return self._temperature
 
    def get_humidite(self):
        return self._humidite
 
    def est_valide(self):
        return False  # À compléter

analyse.py

import matplotlib.pyplot as plt
from transmission import Transmission
 
# Extraction des données
with open("data.txt", "r") as f:
    trames = f.read().split("\n")
    trames.pop()  # La dernière ligne est vide, on la supprime
 
# Création d'une liste de températures pour les transmissions valides
transmissions = [Transmission(t) for t in trames]
temperatures = [t.get_temperature() for t in transmissions if t.est_valide()]
 
print(f"Nombre de trames reçues : {len(trames)}")
print(f"Nombre de trames valides : {len(temperatures)}")
 
# Affichage des températures
plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.plot(temperatures, label="Température (°C)")
plt.title("Évolution de la température")
plt.xlabel("Mesures")
plt.ylabel("Température (°C)")
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()

data.txt (début du fichier)

0010101011001000010010001100011000101101
0010101010011111010010001010011000011001
0010101011010101010010001010011000011101
0010101001011110010010000111011000011111
0010101000101110010010001000011000011011
...

Partie A. On part du répertoire personnel /home/eleve. On exécute successivement les commandes : mkdir Projets ; cd Projets ; mkdir NSI ; mkdir Maths ; cd NSI ; mkdir TP.

1. Représenter l'arborescence obtenue.
2. Donner le chemin absolu du répertoire TP.
3. En admettant qu'on se trouve maintenant dans /home/eleve/Projets, donner le chemin relatif vers TP.

Partie B. Un fichier notes.txt a pour droits d'accès rw-r-----.

1. Le propriétaire peut-il exécuter ce fichier ?
2. Les utilisateurs qui ne sont ni le propriétaire, ni membres du groupe, peuvent-ils le lire ?
3. Donner la commande chmod (notation numérique) qui donnerait en plus le droit d'écriture au groupe, pour obtenir rw-rw----.

On part du répertoire /home/eleve, qui est vide. On exécute successivement les commandes suivantes :

pwd
mkdir devoirs
cd devoirs
mkdir maths
mkdir nsi
ls
cd nsi
pwd

1. Qu'affiche la première commande pwd ?
2. Après les commandes mkdir devoirs et cd devoirs, quel est le répertoire courant ?
3. Qu'affiche la commande ls (ligne 6) ?
4. Qu'affiche la seconde commande pwd (dernière ligne) ?

On part de l'arborescence suivante :

/home/eleve/
├── Documents/
│   ├── rapport.txt
│   └── NSI/
└── Images/
    └── photo.png

Le répertoire courant est /home/eleve/Documents. On exécute successivement les commandes suivantes :

cp rapport.txt NSI/
cd NSI
cp rapport.txt bilan.txt
cd ..
mv rapport.txt ../Images/
ls
cd NSI
ls

1. Après la commande cp rapport.txt NSI/ (ligne 1), le fichier rapport.txt existe-t-il toujours dans /home/eleve/Documents ? Justifier en rappelant la différence entre cp et mv.
2. Que contient le répertoire /home/eleve/Documents/NSI juste après la commande cp rapport.txt bilan.txt (ligne 3) ?
3. Après la commande mv rapport.txt ../Images/ (ligne 5), le fichier rapport.txt existe-t-il encore dans /home/eleve/Documents ? Que contient alors /home/eleve/Images ?
4. Donner précisément ce qu'affichent les deux commandes ls des lignes 6 et 8.
5. Le fichier /home/eleve/Documents/NSI/rapport.txt (créé à la ligne 1) a-t-il été affecté par la commande mv de la ligne 5 ? Justifier.

D'après une fiche d'activité de NSI Première.

Un logiciel libre garantit à ses utilisateurs quatre libertés : l'exécuter pour tout usage, étudier son fonctionnement (son code source est accessible), le modifier, et le redistribuer, modifié ou non. Un logiciel propriétaire reste la propriété de l'entreprise qui le développe : il est en général distribué sous forme exécutable seulement, avec une licence qui limite ce que l'utilisateur a le droit d'en faire.

1. Un logiciel libre est-il forcément gratuit ? A-t-on le droit de le redistribuer gratuitement ?
2. Beaucoup d'applications de réseaux sociaux sont gratuites sur smartphone. Sont-elles libres pour autant ?
3. Windows est un système d'exploitation propriétaire. Quelles conséquences ce statut a-t-il pour ses utilisateurs ?
4. Chez Karim, la box internet, la télévision connectée, la caméra de surveillance et le disque réseau fonctionnent tous avec un système d'exploitation de la famille Linux.
   • a. Pourquoi ces appareils ont-ils besoin d'un système d'exploitation ?
   • b. Utilisent-ils exactement la même version de ce système ?
   • c. Proposer des raisons qui poussent leurs fabricants à choisir Linux.

On considère les dix périphériques suivants, employés dans une maison connectée : thermomètre électronique, moteur de volet roulant, capteur de luminosité, LED de signalisation, capteur de pluie, buzzer d'alarme, capteur de présence infrarouge, ventilateur, capteur d'humidité du sol, électrovanne d'arrosage.

1. Classer chacun de ces dix périphériques dans un tableau à deux colonnes : capteurs (périphériques d'entrée) et actionneurs (périphériques de sortie).
2. Pour deux des capteurs de cette liste, préciser la grandeur physique qu'ils mesurent.
3. Pour deux des actionneurs de cette liste, préciser l'action physique qu'ils produisent.

Un système d'arrosage automatique exécute le pseudo-code suivant, qui lit toutes les heures l'humidité du sol (en pourcentage) grâce à un capteur, et pilote une électrovanne d'arrosage :

tant que Vrai:
    humidite = lire_capteur_humidite()
    si humidite < 30:
        activer(electrovanne)
    sinon:
        desactiver(electrovanne)
    attendre(3600)

Le capteur renvoie les valeurs suivantes, heure après heure :

1. Recopier et compléter le tableau en indiquant, pour chaque heure, l'état de l'électrovanne (activée ou désactivée).
2. À quelle(s) heure(s) l'état de l'électrovanne change-t-il par rapport à l'heure précédente ?
3. Que se passerait-il si le capteur d'humidité tombait en panne et renvoyait en permanence la valeur 0 ? Ce comportement est-il souhaitable ?

Un boîtier domestique comporte un bouton poussoir et une LED. Le cahier des charges est le suivant : « à chaque appui sur le bouton, la LED change d'état : elle s'allume si elle était éteinte, elle s'éteint si elle était allumée ». Cette IHM est programmée ainsi :

etat_led = 'eteinte'

fonction bouton_presse():
    si etat_led == 'eteinte':
        etat_led = 'allumee'
        allumer(led)
    sinon:
        etat_led = 'eteinte'
        eteindre(led)

On part de l'état initial etat_led = 'eteinte', et le bouton est pressé 5 fois de suite.

1. Donner, dans un tableau, l'état de la LED après chacun des 5 appuis.
2. Ce comportement est-il conforme au cahier des charges ? Justifier.
3. Un utilisateur presse le bouton un très grand nombre de fois de suite. D'après ce code, l'état final de la LED est-il prévisible à l'avance ? Justifier à l'aide de la parité du nombre d'appuis.

Une serre connectée doit respecter le cahier des charges suivant :

• si l'humidité de l'air mesurée est inférieure à 40 %, un brumisateur doit être activé, et désactivé sinon ;
• si la température mesurée dépasse 28 °C, un ventilateur doit être activé, et désactivé sinon ;
• ces deux conditions doivent être vérifiées indépendamment l'une de l'autre à chaque tour de boucle (l'état du brumisateur ne doit pas dépendre de celui du ventilateur, et réciproquement).

On dispose des fonctions lire_temperature(), lire_humidite(), activer(x) et desactiver(x). Écrire, en pseudo-code, une boucle de surveillance qui met en œuvre ce cahier des charges.