Chapitre 2
Architecture des ordinateurs
De nos jours, les ordinateurs sont omniprésents. Qu'il s'agisse de téléphones portables, d'ordinateurs de bureau ou de consoles de jeux, les ordinateurs sont partout. Les ordinateurs nous permettent de communiquer, de nous informer, de nous divertir, de travailler, etc. Certains ordinateurs sont même cachés dans des objets de notre quotidien, comme les montres, les voitures et les trains ou encore les réfrigérateurs et les machines à laver. Ils sont devenus un outil omniprésent dans notre société.
Dans ce chapitre, nous allons étudier le fonctionnement des ordinateurs à partir de zéro. Comme nous allons le voir, les ordinateurs sont des systèmes complexes constitués d'un très grand nombre de composants électroniques de base (des milliards !). Ces composants de bases sont interconnectés selon un arrangement bien précis, ce qui fait des ordinateurs des systèmes très complexes. Au vu de cette complexité, il est impossible de comprendre le fonctionnement des ordinateurs en étudiant l'ensemble de leurs composants basiques en même temps.
Dans ce chapitre, nous allons suivre une approche bottom-up : nous allons partir de l'étude des composants électriques élémentaires pour ensuite étudier des systèmes de plus en plus complexes, jusqu'à arriver à l'étude de ce qu'on appelle les ordinateurs: des machines capables d'exécuter des programmes.
La clé pour gérer cette grande complexité sera l'abstraction. L'abstraction est un outil de pensée qui permet de simplifier l'utilisation et la compréhension de systèmes complexes. Une fois un système implémenté et testé, il est possible de l'abstraire pour le considérer comme un unique composant. En abstrayant un système, on se concentre sur son interface (ses entrées et ses sorties, sa fonction) et on cache volontairement les détails de sa réalisation. Cette approche permet de se concentrer sur les aspects essentiels et de construire des systèmes à la complexité croissante tout en gardant une bonne compréhension du système dans son ensemble. Nous aurons l'occasion de discuter de cette notion tout au long du chapitre.
L'ordinateur, d'hier à aujourd'hui
Une des caractéristiques principales de l'être humain est sa capacité à créer et à utiliser des outils pour faciliter la réalisation de très nombreuses tâches. Parmi les outils utilisés par les humains à travers les âges, on peut penser entre autres à la pierre taillée, à la roue, au feu, au moulin à eau, à la machine à vapeur, à l'automobile, etc.
En plus d'aider à la réalisation de tâches manuelles, certains outils permettent également de réaliser des tâches intellectuelles. De l'utilisation de simples galets pour compter du bétail jusqu'à l'utilisation de calculatrices pour effectuer des calculs complexes, l'humain a toujours cherché à utiliser des outils pour augmenter ses capacités cognitives. L'ordinateur tel que nous le connaissons aujourd'hui est un tel outil. Il permet de réaliser des tâches complexes en suivant des séquences d'instructions appelées programmes. Les ordinateurs ne sont cependant pas apparus du jour au lendemain.
En 1837, l'anglais Charles Babbage
conçoit les plans d'un appareil qu'il appelle analytical engine
,
littéralement machine analytique
.
Bien que cette machine n'ait pas été construite à l'époque,
elle est considérée comme le précurseur de ce qu'on appelle aujourd'hui
les ordinateurs.
Inspiré par les métiers à tisser, Charles Babbage conçoit une machine
qui est configurable à l'aide de cartes perforées.
La même année, la comtesse Ada Lovelace, elle aussi anglaise,
décrit comment utiliser cette machine pour résoudre des problèmes
à l'aide d'un programme, une suite d'instructions.
La programmation était née.
De nos jours, les ordinateurs utilisent des composants bien différents des mécanismes et des engrenages de la machine de Charles Babbage. Nos ordinateurs actuels fonctionnent grâce à l'électricité : Ils sont constitués de composant électroniques, tels que les transistors, reliés entre eux par des fils. Ces composants interconnectés forment ce qu'on appelle un circuit électronique. De façon plus générale, on parle aussi de système.
Le transistor
Les transistors sont des composants électroniques qui permettent de laisser passer ou de bloquer un courant électrique, tel un interrupteur. À la différence d'un interrupteur, le transistor est actionné non pas par un humain, mais par un autre courant électrique.
Les transistors sont constitués à partir de matériaux semi-conducteurs, comme le silicium. Comme nous allons le voir au travers de ce chapitre, grâce à ces composants, il est possible de construire des circuits électroniques qui peuvent être utilisés pour réaliser des opérations logiques, effectuer des calculs comme des additions, stocker des données en mémoire et même exécuter des programmes.
! Remarque
Les premiers transistors ont été inventés en 1947 par John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley, chercheurs aux Bell Labs. À l'époque, les transistors avaient une taille de l'ordre du centimètre. De nos jours, grâce à des efforts de miniaturisation, l'être humain est capable de construire des transistors d'une taille de l'ordre du nanomètre. Pour vous donner une idée de la taille de ces composants, un nanomètre est un milliardième de mètre. En comparaison, un cheveu humain a une épaisseur d'environ 100 micromètres, soit 100'000 nanomètres. Un cheveu est donc environ 100'000 fois plus épais qu'un transistor.
Grâce notamment à ces efforts de miniaturisation, les ordinateurs ont pu au fil des ans utiliser de plus en plus de transistors pour ainsi augmenter leur puissance de calcul. Dans les années 1970, les premiers ordinateurs étaient constitués de quelques milliers de transistors. Une loi empirique, appelée la Loi de Moore, a prédit que le nombre de transistors dans un ordinateur doublerait tous les deux ans. Cette loi, établie en 1965 par Gordon Moore, co-fondateur de la société Intel, a été vérifiée jusqu'à présent, bien que ses limites soient largement considérées comme atteintes de nos jours.
Étudier comment fonctionnent les ordinateurs en restant au niveau des transistors est une approche qui s'avère bien trop complexe. En effet, un ordinateur moderne est constitué de centaines de milliards de transistors. Il est donc vain de vouloir comprendre le fonctionnement d'un ordinateur à ce niveau-là de lecture. À la place, tout au long de ce chapitre, nous allons faire usage de l'abstraction et concevoir étape par étape des systèmes de plus en plus complexes, jusqu'à arriver à l'ordinateur.
La première abstraction que nous allons utiliser est celle des portes logiques. Les portes logiques sont les composants qui serviront de base à la conception de systèmes plus complexes. À noter que les portes logiques sont construites à partir de transistors. Il s'agit donc d'une abstraction de plus haut niveau. Les détails d'implémentation des portes logiques à l'aide de transistors et de résistances électriques dépassent malheureusement le cadre de ce cours.
✓ Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous serez capable :
- D'expliquer le concept de système et d'abstraction.
- De décrire le fonctionnement des différentes portes logiques.
- De concevoir et d'analyser des circuits simples.
- De maîtriser le système binaire, c'est-à-dire :
- De lire des nombres naturels exprimés en binaire.
- De compter en binaire.
- D'écrire les nombres naturels en binaire.
- D'effectuer des additions en binaire.
- De comprendre le fonctionnement d'un additionneur.
- De représenter les nombres relatifs grâce à la méthode du complément à deux.
- De comprendre le fonctionnement d'une ALU.
- De comprendre le fonctionnement d'un verrou et d'une bascule.
- De comprendre le fonctionnement de la mémoire RAM.
- De lister et d'expliquer les différents composants d'un ordinateur dans l'architecture de von Neumann.