Section 2.2
Circuits
Un circuit, ou circuit logique, est un ensemble de composants électroniques interconnectés qui permettent de réaliser une tâche de traitement de l'information. Il s'agit donc d'un système selon la définition de la section précédente.
Les composants électroniques qui composent un circuit sont divers et variés. Nous aurons l'occasion d'en découvrir et d'en concevoir de nombreux au fil de ce chapitre. Nous commencerons par les composants les plus simples, les portes logiques, pour ensuite construire des circuits plus complexes. Ces circuits plus complexes, grâce à un mouvement d'abstraction, nous serviront de composants pour construire des circuits encore plus complexes. Au final, nous verrons comment concevoir un circuit capable d'exécuter des programmes, autrement dit, un ordinateur.
★ À essayer
Dans ce chapitre, nous allons nous intéresser à de nombreux circuits, de plus en plus complexes. Nous allons représenter des circuits par des schémas précis. Ces schémas, grâce au travail de Jean-Philippe Pellet, sont interactifs. Par exemple, dans le schéma ci-dessous, il est possible de cliquer sur les entrées du circuits, représentés par des boutons, pour observer son comportement.
Ici, le circuit a quatre entrées et aucune sortie filaire visible. En guise de sortie, nous avons un afficheur, appelé afficheur à 7 segments. En fonction des valeurs en entrée, l'afficheur affiche un chiffre entre 0 et 9 ou une lettre entre A et F.
Avant de ce plonger dans ces composants et dans la conception de circuits, il est important de comprendre la notion de signal dans un circuit. Enfin, nous aborderons la notion d'interface d'un circuit.
Signaux
Les différents composants d'un circuit communiquent entre eux par le biais de fils électriques qui véhiculent des signaux électriques. Un signal électrique est une variation de tension électrique qui se propage le long d'un fil.
Dans un système numérique, comme un ordinateur, de tels signaux électriques véhiculent des informations numériques sous la forme de 0 et 1. Suivant la tension appliquée sur un fil, on considère que le fil transmet un signal de valeur 0 ou de valeur 1. Une tension basse est généralement associée à la valeur 0, tandis qu'une tension haute est associée à la valeur 1.
Bien entendu, la valeur transmise sur un fil peut changer au cours du temps. Par exemple, le signal émit par un bouton peut changer de valeur lorsque l'on appuie sur le bouton. La valeur du signal transmit à une diode sur votre écran peut changer en fonction de ce qui doit être affiché à l'écran. Un composant peut changer la valeur du signal qu'il émet en fonction de la valeur des signaux qu'il reçoit. Et ainsi de suite.
Interface
Les entrées et les sorties sont la partie visible d'un circuit. Elles permettent de communiquer avec le circuit pour échanger des informations, toujours sous forme de signaux électriques. Cette interface est la partie du circuit qui est destinée à être utilisée par les personnes qui font usage du circuit, voire par d'autres circuits. C'est par le biais de l'interface qu'on interagit avec le circuit.
Entrées
Pour communiquer avec un circuit, il faut pouvoir lui envoyer des données. Lorsque l'on souhaite qu'un humain puisse communiquer avec un circuit, il faut lui fournir un moyen de le faire. On utilise pour cela généralement des composants comme des boutons ou des interrupteurs qui peuvent être enclenchés ou désenclenchés. Ces composants sont destinées à être utilisées par les personnes qui utilisent le circuit et permettent d'entrer des données ou de configurer le circuit.
Dans le cas où un circuit est destiné à être utilisé par d'autres circuits, on se passe généralement d'une interface humaine et on utilise simplement des fils électriques comme entrées.
★ À essayer
Ci-dessous est un exemple schématique d'entrée. L'entrée est représentée par un bouton qui peut être enclenché ou non. Dans le cas où il est enclenché, le signal prend la valeur 1. Lorsqu'il est désenclenché, le signal prend la valeur 0. Dans le schéma de circuit ci-dessous, vous pouvez activer ou désactiver l'entrée en cliquant dessus, essayez !
Dans le schéma de circuit ci-dessus, l'entrée est annotée du nom A. Annoter les entrées d'un nom permet de les identifier facilement.
À noter que pour l'instant, l'entrée n'est pas reliée à des composants. À part l'allumer ou l'éteindre, cliquer dessus ne fait rien.
! Remarque
Dans un ordinateur, les touches du clavier sont des entrées. Les boutons de la souris et ses capteurs de déplacement sont aussi des entrées de l'ordinateur.
Sorties
Les sorties d'un circuit sont des composants qui permettent de communiquer un résultat à l'utilisateur ou à d'autres circuits. Lorsqu'on réalise un véritable circuit, les sorties sont généralement des composants physiques simples tels que des ampoules, des diodes, des haut-parleurs, des moteurs, etc. Ci-dessous est un exemple de sortie représentée de façon schématique.
Lorsqu'une sortie est destinée à être utilisée par un autre circuit, on utilise généralement de simples fils comme sorties.
Tout comme les entrées, les sorties peuvent être annotées d'un nom. Ici, la sortie est annotée du nom S.
Remarquez qu'il n'est pas possible de changer la valeur d'une sortie en cliquant dessus. En effet, les sorties sont destinées à fournir un résultat calculé par le circuit, et non à être modifiées directement par l'utilisateur.
Pour changer la valeur d'une sortie, il faut lui fournir un signal en la connectant à d'autres composants par le biais d'un fil.
★ À essayer
Dans l'exemple ci-dessous, la sortie S est directement connectée à l'entrée A par un fil. Le fil transmet le signal de l'entrée A à la sortie S. Lorsque l'entrée A est allumée, la sortie S est également allumée. Alors que lorsque l'entrée A est éteinte, la sortie S est elle aussi éteinte.
! Remarque
Dans un ordinateur, les diodes d'un écran sont des sorties. Elles permettent d'afficher des couleurs à l'écran en fonction des signaux qu'elles reçoivent. Les haut-parleurs sont également des sorties : ils produisent des sons en fonction des signaux qu'ils reçoivent.
Pour pouvoir réaliser des circuits qui font plus que simplement transmettre un signal d'une entrée à une sortie, nous allons devoir incorporer à nos circuits des composants plus complexes. Les portes logiques, que l'on découvrira dans la prochaine section, sont de tels composants.
! À maîtriser
Avant de poursuivre, assurez-vous de pouvoir :
- Lister les différentes valeurs que peut prendre un signal numérique.
- Reconnaître les entrées et les sorties dans un circuit.