Fonctionnement d'un ordinateur/Introduction

Pour commencer, nous allons voir qu'il existe de nombreux types d'ordinateurs. Le plus connu est certainement le PC, l'ordinateur personnel, que vous avez sans doute dans votre salon. Les ordinateurs portables sont un deuxième type d'ordinateur assez intuitif, que vous avez peut-être. Mais il y a aussi d'autres types d'ordinateurs auxquels vous n'avez jamais été confrontés.

Les différents types d'ordinateurs

Dans cette section, nous allons décrire rapidement les ordinateurs les plus courant, mais surtout voir ce qu'il y a à l'intérieur d'un ordinateur.

L'ordinateur de type PC fixe

De l'extérieur, l'ordinateur est composé d'une unité centrale sur laquelle on branche des périphériques.

Exemples de périphériques, connectés à une unité centrale (ici appelée à tort operating system).

Les périphériques regroupent l'écran, la souris, le clavier, l'imprimante, et bien d'autres choses. Ils permettent à l'utilisateur d'interagir avec l'ordinateur : un clavier permet de saisir du texte sous dans un fichier, une souris enregistre des déplacements de la main en déplacement du curseur, un écran affiche des données d’images/vidéos, un haut-parleur émet du son, etc. Tout ce qui est branché sur un ordinateur est, formellement un périphérique.

L'unité centrale est là où se trouvent tous les composants importants d'un ordinateur, ceux qui font des calculs, qui exécutent des logiciels, qui mémorisent vos données, etc. Voici ce à quoi ressemble l'intérieur de l'unité centrale. Trois sections sont visibles : l'alimentation électrique en haut à gauche, la carte mère en bas à gauche et en jaune/orange, les disques et lecteurs à droite des câbles. Et on voit aussi beaucoup de câbles.

Exemple d'unité centrale.

Tout en haut à gauche, se trouve l'alimentation électrique, qui convertit le courant de la prise électrique en un courant plus faible, utilisable par les autres composants. Elle émet de nombreux câbles assez gros, qui sont reliés au reste. Les PC actuels utilisent des alimentations électriques standardisées, qui fournissent trois tensions au reste de l'ordinateur : une tension de 12 Volts, une de 5 Volts, une de 3,3 Volts.

À droite, caché par la partie "métallique" du boitier, se trouvent les lecteurs de CD/DVD, et les disques durs. Les lecteurs CD-ROM ou DVD-ROM permettaient de lire des CD ou des DVD. Je parle au passé, car ils ont aujourd'hui disparu des ordinateurs modernes. Les disques durs sont des mémoires de stockage, qui mémorisent vos données de manière permanente. De nos jours, ils sont remplacés par des SSD, qui sont des disques durs électroniques, là où les disques durs proprement dit sont des mémoires magnétiques. Nous verrons la différence dans deux chapitres dédiés, un sur les disques durs, l'autre sur les SSD.

En bas à droite, se trouve la carte mère un support plat, en plastique ou en céramique, sur laquelle sont soudés/connectés les autres composants. Sur celle-ci, de nombreux composants sont soudés, d'autres sont branchés dessus avec des câbles, d'autres sont connectés dessus avec des connecteurs. Ils sont reliés entre eux par des fils conducteurs, le plus souvent du cuivre ou de l’aluminium, ce qui leur permet de s’échanger des données. Sur les cartes simples, ces fils sont intégrés dans la carte électronique, dans des creux du plastique. Ils portent le nom de pistes.

Avant, les disques durs, SSD et lecteurs de CD/DVD sont branchés dessus via des connecteurs dédiés, appelés des connecteurs S-ATA. De nos jours, ils sont branchés sur un autre connecteur, grâce à l'interface NVME. Toujours est-il qu'ils sont reliés à la carte mère par des câbles, ce qui montre que ce sont des sortes de périphériques interne. Ils sont placés dans le boitier, mais on aurait tout aussi bien pu les mettre à l'extérieur, vu qu'ils communiquent avec l'ordinateur par l'intermédiaire d'un câble ou d'un connecteur dédié.

Mais deux autres composants très importants sont eux placés sur la carte mère, directement. Ils ont chacun un connecteur dédié, sur lequel ils sont branchés directement, sans passer par l'intermédiaire d'un câble, mais sans être soudés non plus. Il s'agit du processeur et de la mémoire RAM, deux composants centraux des PC modernes.

Processeur Pentium III.

Le processeur traite les données, les modifie, les manipule. Pour faire simple, il s’agit d’une grosse calculatrice hyper-puissante. Il comprend à la fois un circuit qui fait des calculs, et un circuit de contrôle qui s'occupe de séquencer les calculs dans l'ordre demandé. Il est souvent caché sous un radiateur, lui-même surmonté par un ventilateur. En effet, un processeur chauffe beaucoup, ce qui demande d'évacuer cette chaleur. Un chapitre entier expliquera pourquoi les processeurs chauffent, ainsi que les techniques utilisées pour limiter leur production de chaleur et leur consommation électrique.

La mémoire vive conserve des informations/données temporairement, tant que le processeur en a besoin. Elle prend la forme de barrettes de RAM, comme montré ci-dessous.

Barrette de RAM.

Outre ces composants dits principaux, un ordinateur peut comprendre plusieurs composants moins importants, surtout présents sur les ordinateurs personnels. Ils sont techniquement facultatifs, mais sont très présents dans les ordinateurs personnels. Cependant, certains ordinateurs spécialisés s'en passent. Il s'agit des diverses cartes d'extension sont branchées sur la carte mère. Elles permettent d’accélérer certains calculs ou certaines applications, afin de décharger le processeur. Par exemple, la carte graphique s'occupe des calculs graphiques, qu'il s'agisse de graphismes 3D de jeux vidéos ou de l'affichage en 2D du bureau. Dans un autre registre, la carte son prend en charge le microphone et les haut-parleurs.

Éclaté d'un ordinateur de type PC :
1 : Écran ;
2 : Carte mère ;
3 : Processeur ;
4 : Câble Parallel ATA ;
5 : Mémoire vive (RAM) ;
6 : Carte d'extension ;
7 : Alimentation électrique ;
8 : Lecteur de disque optique ;
9 : Disque dur ;
10 : Clavier ;
11 : Souris.

Si on regarde une carte mère de face, on voit un grand nombre de connecteurs, mais aussi des circuits électroniques soudés à la carte mère.

Architecture matérielle d'une carte mère

Les connecteurs sont là où on branche les périphériques, la carte graphique, le processeur, la mémoire, etc. Dans l'ensemble, toute carte mère contient les connecteurs suivants :

• Le processeur vient s’enchâsser dans la carte mère sur un connecteur particulier : le socket. Celui-ci varie suivant la carte mère et le processeur, ce qui est source d'incompatibilités.
• Les barrettes de mémoire RAM s’enchâssent dans un autre type de connecteurs: les slots mémoire.
• Les mémoires de masse disposent de leurs propres connecteurs : connecteurs P-ATA pour les anciens disques durs, et S-ATA pour les récents.
• Les périphériques (clavier, souris, USB, Firewire, ...) sont connectés sur un ensemble de connecteurs dédiés, localisés à l'arrière du boitier de l'unité centrale.
• Les autres périphériques sont placés dans l'unité centrale et sont connectés via des connecteurs spécialisés. Ces périphériques sont des cartes imprimées, d'où leur nom de cartes filles. On peut notamment citer les cartes réseau, les cartes son, ou les cartes vidéo.

Les ordinateurs portables

Ordinateur portable Samsung QX-511 (2), pour illustration.

Un ordinateur portable est identique à un ordinateur de type PC. Si vous ouvrez votre ordinateur portable (attention à la garantie), vous retrouverez les mêmes composants qu'un PC à l'intérieur. Un point important est la présence d'une batterie à l'intérieur du PC portable, absente des PC fixes.

LG gram 14Z90Q avec sa batterie.

Une fois la batterie et les circuits associés retiré, la seule différence notable est que tous les composants sont soudés sur la carte mère, au lieu d'être branchés sur des connecteurs, à part éventuellement la RAM et le disque dur.

LG gram 14Z90Q sans sa batterie.

La RAM est parfois soudée sur la carte mère, d'autres fois sous la forme de barrettes de mémoire vive semblables à celles des PC. Dans le dernier cas, elle est connectée à des connecteurs spécifiques, ce qui permet de les changer/upgrader. Les PC portables sont parfois construits de manière à pouvoir changer la RAM facilement, en ouvrant un cache spécial, concu pour.

Lenovo G555.

La conception d'un ordinateur portable est légèrement différente de celle d'un PC, pour des raisons thermiques. Un PC fixe a plus de place pour évacuer sa chaleur. Les ventilateurs peuvent plus facilement déplacer l'air dans le boitier, même si le flux d'air dans le boitier est éventuellement gêné par la carte graphique. Mais l'évacuation de la chaleur est assez efficace. Sur les PC portables, leur finesse fait que le trajet de l'air est beaucoup plus contraint. Évacuer la chaleur produite par l'ordinateur est plus complexe, ce qui demande d'utiliser des systèmes de refroidissement et de ventilation spécifiques.

Là où les PC fixes se débrouillent avec des radiateurs et des ventilateurs posés sur le processeur, les PC portables font autrement. Ils ne peuvent pas forcément mettre le ventilateur sur le processeur. A la place, ils mettent le ventilateur à côté, mais le processeur est surmonté par un mécanisme de transmission de la chaleur, qui transfère la chaleur du processeur vers le ventilateur.

Comment fonctionne le système de ventilation d'un ordinateur portable, en anglais.

Les difficultés pour dissiper la chaleur font que les ordinateurs portables utilisent souvent des composants peu performants, mais qui chauffent peu. En effet, nous verrons que plus un composant est puissant, plus il chauffe. La relation n'est pas parfaite, mais les processeurs haute performance chauffent plus que les modèles d'entrée ou milieu de gamme moins puissants. En conséquence, les PC portables sont souvent moins puissants que les PC fixes, même pour les modèles dit gaming.

Les serveurs et mainframes

Les grandes entreprises utilisent des ordinateurs de grande taille, très puissants, appelés des mainframes. Ils sont souvent confondus avec les serveurs par le grand public, il y a une différence entre les deux. Un serveur est une fonction logicielle/réseau, pas un type d'ordinateur. Mais laissons cette différence de côté, ce qui est dit pour les mainframes sert pour les gros serveurs haute performance.

Exemple de mainframe' de type IBM Z15.

Les anciens mainframes des années 50-80 avaient une taille pouvant être impressionnante, au point de prendre une pièce complète d'un bâtiment. Mais de nos jours, les mainframes tiennent dans une grosse armoire un peu haute. Les mainframes doivent rester allumé en permanence et ne doivent pas être éteint, sauf éventuellement quelques jours par an pour des opérations de maintenance. Ils utilisent pour cela des techniques spécifiques, avec beaucoup de redondance interne.

Mainframe ACONIT.

Les mainframes sont aussi conçus pour mutualiser au maximum leur utilisation, ils peuvent être utilisés par plusieurs utilisateurs à la suite, voire en même temps. Pour cela, les anciens mainframes étaient capables de faire tourner plusieurs applications distinctes l'une à la suite de l'autre, avec des commutations fréquentes entre logiciels. De nos jours, ils sont capables d'exécuter un grand nombre de tâches en même temps, grâce à la présence de plusieurs processeurs. Les mainframes modernes sont même capables de faire tourner plusieurs systèmes d'exploitation en même temps si besoin.

Les anciens mainframes étaient des ordinateurs assez simples, avec un processeur, de la mémoire RAM, un ou plusieurs disques durs, pas plus. Le mainframe était tellement énorme et cher que les entreprises n'en avaient qu'un seul pour toute l'entreprise. Les employés avaient sur leur bureau des terminaux, qui permettaient d'accéder à l'ordinateur central, mais n'étaient pas des ordinateurs. Les terminaux étaient des composants électroniques simples, avec un écran, un clavier et une souris, mais sans processeur. Ils envoyaient des données au mainframe, ils en recevaient de sa part, mais tout traitement était réalisé sur le mainframe. L'arrivée sur le marché des ordinateurs personnels, de type PC fixe/portable, a entrainé l'abandon de ce genre de pratique, tous les employés ont maintenant un ordinateur rien que pour eux.

Exemples de terminaux
Exemple de terminal. Notez la présence d'un écran et d'un clavier, mais l'asbence d'une unité centrale.	Autre exemple de terminal. Le clavier est couplé à un stylo CRT, qui remplacait la souris et agissait sur l'écran comme s'il était tactile.
Intérieur d'un terminal
Terminal CT1024, sans le boitier extérieur.	Terminal CT1024, description des composants interne.

De nos jours, les mainframes contiennent en réalité plusieurs ordinateurs simples interconnectés via un réseau local. Un mainframe qui tient dans une armoire contient facilement une dizaine ou centaine de processeurs, plein de RAM, des disques durs séparés dans une armoire distincte, etc. Vu qu'ils communiquent uniquement via le réseau, ils n'ont pas d'interface, pas d'écran, 'entrée via clavier/souris. Le tout est commandé avec une console de commande, typiquement un ordinateur portable ou un terminal assez simple séparé de l'armoire, qui permet à un administrateur de faire des opérations de surveillance, configuration et maintenance. Il peut y avoir une console de commande pour plusieurs armoires séparées, la console peut même être dans un autre bâtiment et accéder au mainframe par le réseau.

Mainframe de type IBM System Z9. L'ordinateur portable sert de console pour qu'un administrateur fasse des opérations de surveillance, configuration et maintenance.

Les processeurs et la RAM sont typiquement installés sur des cartes amovibles, qui sont connectées au fond de l'armoire lors de l'installation. Il est même possible de retirer ou d'ajouter des cartes en fonctionnement, afin d'ajouter/retirer des processeurs, des disques durs, etc. Ce qui est très utile si un composant est en panne et qu'il faut le remplacer.

IBM TotalStorage Exp400

Un peu d'abstraction : qu'est-ce qu'un ordinateur ?

Un ordinateur comprend donc un processeur, plusieurs mémoires, des cartes d'extension et une carte mère pour connecter le tout. Mais il s'agit là d'une description assez terre-à-terre de ce qu'est un ordinateur. Une autre description, plus abstraite, se base sur le fait qu'un ordinateur est une énorme calculatrice programmable. Elle permet d'expliquer pourquoi il y a une distinction entre processeur et mémoire, entre unité centrale et périphériques. Tout ce qui va suivre pourra vous paraitre assez abstrait, mais rassurez-vous : les prochains chapitres rendront tout cela plus concrets.

La séparation entre entrées-sorties et traitement

L'unité centrale peut être vue comme une énorme calculatrice ultra-puissante, qui exécute des commandes/opérations. Mais à elle seule, elle ne servirait à rien, il faut interagir avec par l'intermédiaire de plusieurs périphériques. Il existe deux types de périphériques, qui sont conceptuellement différents. Les périphériques comme le clavier ou la souris permettent d'envoyer des informations à l'ordinateur, d'agir sur celui-ci. A l'inverse, les écrans transmettent des informations dans le sens inverse : de l'ordinateur vers l'utilisateur. Les premiers sont appelés des entrées, les seconds des sorties.

Dans un ordinateur, les informations sont représentées sous la forme de nombres. Toute donnée dans un ordinateur est codée avec un ou plusieurs nombres regroupés dans une donnée, un fichier, ou autre. Et la transmissions avec les entrées et sorties se fait là-encore avec des nombres. Par exemple, quand vous appuyez sur votre clavier, le clavier envoie un numéro de touche à l'unité centrale, qui indique quelle touche a été appuyée. L'image à afficher à l'écran est codée sous la forme d'une suite de nombres (un par pixel). L'image est envoyée à l'écran, qui traduit la suite de nombre en image à afficher. Les entrées traduisent des actions utilisateurs en nombres, on dit que les entrées encodent les actions utilisateur. Les sorties font la traduction inverse, elles transforment des suites de nombres en une action physique. On dit qu'elles décodent des informations.

Pour résumer, toute appareil électronique est composé par :

• Des entrées sur lesquelles l'utilisateur agit sur l'ordinateur. Les entrées transforment les actions de l'utilisateur en nombres, qui sont interprétés par l'ordinateur.
• Une unité de traitement, qui manipule des nombres et fait des calculs/opérations dessus. Les nombres proviennent des entrées, du disque dur, ou d'autres sources, peu importe.
• Des sorties, qui va récupèrent le résultat calculé par l'unité de traitement pour en faire quelque chose : écrire sur une imprimante ou sur un moniteur, émettre du son,...

Ordinateur théorique Simple 1

L'unité de traitement proprement dite, celle qui fait les calculs, est couplée à une mémoire qui mémorise les opérandes et résultats des calculs. La séparation entre processeur et mémoire est nécessaire pour qu'un appareil électronique soit qualifié d'ordinateur. De nombreux appareils n'ont pas de séparation entre unité de traitement et mémoire, comme certaines vielles radios AM/FM.

Schéma de principe d'un ordinateur

Un ordinateur est un appareil programmable

Les appareils simples sont non-programmables, ce qui veut dire qu’ils sont conçus pour une utilisation particulière et qu’ils ne peuvent pas faire autre chose. Par exemple, les circuits électroniques d’un lecteur de DVD ne peuvent pas être transformé en lecteur audio ou en console de jeux... Les circuits non-programmables sont câblés une bonne fois pour toute, et on ne peut pas les modifier. On peut parfois reconfigurer le circuit, pour faire varier certains paramètres, via des interrupteurs ou des boutons, mais cela s’arrête là. Et cela pose un problème : à chaque problème qu'on veut résoudre en utilisant un automate, on doit recréer un nouveau circuit.

À l'inverse, un ordinateur n’est pas conçu pour une utilisation particulière, contrairement aux autres objets techniques. Il est possible de modifier leur fonction du jour au lendemain, on peut lui faire faire ce qu’on veut. On dit qu'ils sont programmables. Pour cela, il suffit d’utiliser un logiciel, une application, un programme (ces termes sont synonymes), qui fait ce que l'on souhaite. La totalité des logiciels présents sur un ordinateur sont des programmes comme les autres, même le système d'exploitation (Windows, Linux, ...) ne fait pas exception.

Un programme est une suite de d'instructions machines, chaque instruction effectuant une action dans l'ordinateur. Sur les ordinateurs modernes, les instructions les plus communes effectuent une opération arithmétique : une addition, une multiplication, une soustraction, etc. Les ordinateurs modernes sont donc de grosses calculettes très puissantes, capables d'effectuer des millions d'opérations par secondes.

Et qui dit opération dit nombres : un ordinateur gère nativement des nombres, qui sont codés en binaire sur la quasi-totalité des ordinateurs modernes. Les ordinateurs modernes sont capables de faire des calculs sur des nombres entiers, mais aussi des nombres à virgule. Il existe plusieurs manières de représenter des nombres en binaire, certaines représentant des nombres entiers dits naturels (0 et plus), d'autres des nombres signés (positifs ou négatifs), d'autres des nombres à virgule. Un chapitre entier détaillera comment sont encodés ces nombres.

Une instruction est représentée dans un ordinateur par une série de nombres entiers : un nombre qui indique quelle opération/commande effectuer et des autres nombres pour coder les données (ou de quoi les retrouver dans l'ordinateur). L'ordinateur récupére les commandes une par une, les traduit en opération à effectuer, exécuter l'opération, et enregistre le résultat. Puis il recommence avec la commande suivante.

Ordinateur Théorique Complexe. En jaune, le programme informatique, la liste de commande. Le rectangle gris est l'ordinateur proprement dit.

De nombreux appareils sont programmables, mais tous ne sont pas des ordinateurs. Par exemple, certains circuits programmables nommés FPGA n'en sont pas. Pour être qualifié d'ordinateur, un appareil programmable doit avoir un processeur séparé de la mémoire. De plus, il doit utiliser un codage numérique, chose que nous allons aborder dans le chapitre suivant.

Les ordinateurs à programme mémorisé ou programme externe

Carte Perforée.

Au tout début de l'informatique, les programmes étaient enregistrés sur des cartes perforées, à savoir des cartes en papier/plastique percées par endroits. Un 1 est codé par un trou dans le papier et un 0 par une absence de trou. Les programmes étaient exécutés par l'ordinateur quand on insérait la carte perforée dans le lecteur et qu'on appuyait sur un bouton.

Par la suite, les premiers ordinateurs grand public, comme les Amstrad ou les Commodore, utilisaient des cassettes audio magnétiques pour stocker les programmes. Dans le même style, les consoles de jeu utilisaient autrefois des cartouches de jeu, qui contenaient le programme du jeu à exécuter. Pour résumer, les anciens ordinateurs mémorisaient les programmes sur un support externe, lu par un périphérique. De tels ordinateurs sont dits à programme externe.

D’anciens ordinateurs personnels, comme l’Amstrad ou le Commodore, permettaient de taper les programmes à exécuter à la main, au clavier, avant d’appuyer une touche pour les exécuter. Nul besoin de vous dire que les cassettes audio étaient plus pratiques.

Mais de nos jours, les programmes sont enregistrés sur le disque dur de l'ordinateur ou dans une mémoire intégrée à l'ordinateur. On dit qu'ils sont installés, ce qui est un mot bien compliqué pour dire que le programme est enregistré sur le disque dur de l’ordinateur. A défaut de disque dur, le programme/logiciel est enregistré dans une mémoire spécialisée pour le stockage. Par exemple, sur les cartes électroniques grand public de marque Arduino, les programmes sont envoyés à la carte via le port USB, mais les programmes sont enregistrés dans la carte Arduino, dans une mémoire FLASH dédiée. Disque dur ou non, le programme est mémorisé dans la mémoire de l'ordinateur. Il est possible d'installer ou de désinstaller les programmes en modifiant le contenu de la mémoire. Le terme utilisé est alors celui de programme stocké en mémoire.

Les programmes à installer sont disponibles soit sur un périphérique, comme un DVD ou une clé USB, soit sont téléchargés depuis internet. Les premiers PC fournissaient les logiciels sur des disquettes, qui contenaient un programme d'installation pour enregistrer le programme sur le disque dur de l'ordinateur. Par la suite, le support des logiciels a migré vers les CD et DVD, les logiciels devenant de plus en plus gros. De nos jours, la majorité des applications sont téléchargées depuis le net, l'usage de périphériques est devenu obsolète, même les consoles de jeu abandonnent cette méthode de distribution.

Les générations d'ordinateurs : un historique rapide

L'informatique a beaucoup évolué dans le temps. Et une bonne partie de cette évolution tient à l'évolution de l’électronique sous-jacente. Les ordinateurs actuels sont fabriqués avec des transistors, des petits composants électroniques qui servent d'interrupteurs programmables, qu'on détaillera dans ce qui suit. Mais ça n'a pas toujours été le cas. Et cela permet de distinguer plusieurs générations d'ordinateurs.

Les ordinateurs électro-mécaniques : les premiers ordinateurs

Le tout premier ordinateur est le Z1, un modèle unique inventé par Konrad Suze entre 1936 et 1938. Son processeur gérait non pas des nombres entiers, mais des nombres à virgule (des nombres dits flottants, pour être précis), encodés sur 22 bits. Le processeur du Z1 était capable de faire des additions et des soustractions, car il intégrait un circuit additionneur-soustracteur basique. Des circuits annexes permettaient de faire des multiplications et des divisions en enchainant des additions/soustractions successives. Il fonctionnait à une fréquence de 1 Hz, ce qui fait qu'il pouvait faire une addition/soustraction par seconde maximum.

Niveau mémoire, la RAM de l'ordinateur était très limitée : seulement 16 nombres de 22 bits chacun. S'il s'agissait d'une mémoire électronique, les programmes étaient mémorisés sur une mémoire mécanique et précisémment sur des cartes perforées, à savoir des cartes en papier/plastique dans lesquelles un 1 est codé par un trou dans le papier et un 0 par une absence de trou. Les programmes étaient exécutés par l'ordinateur quand on insérait la carte perforée dans le lecteur et qu'on appuyait sur un bouton.

Réplique du Z1 au German Museum of Technology de Berlin, 2017.

Après sa destruction dans un bombardement, le Z1 a été reconstruit et amélioré, ce qui donné les deux ordinateurs Z2 et Z3. Quelques années plus tard, quelques laboratoires de recherche ont fabriqués des ordinateurs dans leur coin, comme le Harvard Mark I et le Colossus Mark 1 (UK) qui ont été mis en service en 1944. Ils ont servi pour les cryptanalystes pour casser les codes utilisés par les Allemands pour leurs transmissions, pendant la seconde guerre mondiale.

Les ordinateurs cités dans le précédent paragraphe étaient tous des ordinateurs dit électro-mécaniques, car ils mélangeaient des composants électroniques et des composants mécaniques (tout ce qui a trait aux cartes perforées, notamment). Les composants électroniques étaient généralement des relais, à savoir des interrupteurs commandables électriquement, qui sont plus ou moins équivalents aux transistors modernes. La majeure partie des ordinateurs des années 40 étaient de ce type, mais leur nombre n'a pas dépassé 30. Il faut dire qu'ils ont rapidement laissé la place à des ordinateurs purement électroniques, que nous allons voir dans ce qui suit.

La première génération : les tubes à vide

Les ordinateurs qui ont suivi les ordinateurs électromécaniques sont regroupés dans la première génération d'ordinateur. Ils étaient conçus avec des tubes à vide, les ancêtres des transistors. Les tubes à vide sont les ancêtres des transistors. Ils fonctionnent eux aussi comme des interrupteurs commandés en tension, ou comme amplificateur. Mais les comparaisons s'arrêtent là. Les tubes à vides n'étaient pas conçu avec des semi-conducteurs, mais étaient en réalité des ampoules à filament améliorées.

Les tubes à vide avaient beaucoup de défauts. Ils étaient assez encombrants, dans le sens où une ampoule prend beaucoup de place. Et il est difficile de miniaturiser une ampoule, personne n'imagine une ampoule de quelques microns de côté, alors que les transistors actuels sont bien plus petits que ça. De plus, les tubes à vide consommaient beaucoup de courant et chauffaient. Faire chauffer un filament d'ampoule demande un courant important et une bonne partie de ce courant part en chaleur. De plus, ils étaient assez peu fiables et tombaient en panne assez souvent. Et s'ils étaient assez simples à fabriquer, ils restaient malgré tout chers.

Tubes à vides.

Les tubes à vides étaient utilisés pour le processeur et quelques circuits annexes, mais les mémoires utilisaient d'autres technologies. Les mémoires de l'époque n'étaient pas du tout des mémoires électroniques. Il existait déjà des ancêtres des disques durs, à savoir des mémoires magnétiques appelées tambours magnétiques, bandes magnétiques, mémoires à tore de ferrite, etc. Les mémoires RAM, quant à elles, utilisaient des technologies totalement abandonnées : les mémoires à lignes de délai étaient des mémoires acoustiques, les tubes Williams étaient des écrans CRT modifiés, etc. Un chapitre entier sera dédié aux technologies des mémoires de l'époque.

L'usage de tubes à vide les place entre les premiers ordinateurs électro-mécaniques et les ordinateurs utilisant des transistors. Au vu de la taille des tubes à vide, les ordinateurs de l'époque étaient composés de plusieurs milliers de ces tubes, guère plus. Et malgré cela, un ordinateur prenait facilement un étage de bâtiment entier, ou au moins plusieurs pièces. La conséquence est que les ordinateurs de première génération étaient très simples, rudimentaires quand on les compare aux ordinateurs modernes. Ils ne géraient que quelques opérations simples : l'addition, la soustraction, pas grand-chose de plus. À quelques exceptions près, ils ne géraient pas la multiplication et encore moins la division, cela aurait demandé trop de tubes à vides.

Une des toutes premières machines construite avec des tubes à vide était l'Atanasoff–Berry. Ce n'était pas un ordinateur, car elle ne pouvait pas exécuter de programme sans intervention humaine pour séquencer des opérations, mais c'était la première machine de calcul purement électronique, sans aucune pièce mécanique. Elle utilisait une mémoire RAM construite avec des condensateurs, ceux-ci étant placés sur des cylindres tournants. Les circuits de calcul étaient construits avec des tubes à vide et faisaient leur travail un bit à la fois. Elle fonctionnait à une fréquence de 60 Hz et pouvait faire 30 additions/soustractions par seconde. Les nombres étaient encodés sur 50 bits.

Atanasoff–Berry.

L'arrivée de l'ENIAC en 1945 a changé la donne. Cet ordinateur a introduit plusieurs innovations majeures. La première est assez technique, il s'agit de la turing-complétude, elle a trait aux programmes qui peuvent être écrits pour un ordinateur, nous ne la détaillerons pas ici.

Architecture de la Manchester Baby.

En 1948, le Manchester Baby a introduit une innovation extrêmement importante : le programme n'était plus mémorisé sur des cartes perforées, mais dans une mémoire électronique à l’intérieur de l'ordinateur lui-même. En clair, le Manchester Baby était le premier ordinateur à programme stocké en mémoire en français. Au-delà de ça, le Manchester Baby restait quand même très simple, c'était limite un prototype.

Niveau interface, l'ordinateur avait une console avec 32 boutons, des interrupteurs et un écran de sortie sur lequel afficher les résultats. À l'intérieur, il y avait un processeur et une RAM de 32 nombres de 32 bits, fabriquées avec des tubes Williams (abordés dans une annexe à la fin du cours). Une instruction prenant autant de place qu'un nombre en RAM, ce qui limitait les programmes à 32 instructions maximum. Le processeur gérait 8 instructions en tout, mais la seule instruction de calcul qu'il gérait était la soustraction. L'addition n'était pas supportée. Il pouvait cependant émuler l'addition à partir d'une soustraction et inversant l'opérande soustrait.

Le Manchester Mark 1 était une amélioration du Manchester Baby. Il utilisait 4500 tubes à vide. L'ordinateur gérait des nombres de 40 bits, mais les instructions étaient codées sur 20 bits. La RAM avait la même taille, à savoir 32 nombres, leur taille était simplement augmentée. Par contre, la RAM était complémentée par l’ancêtre du disque dur magnétique, à savoir un tambour magnétique, l’ancêtre du disque dur magnétique. Il contenait 40 pages, chacune ayant la même taille que la RAM. Contrairement à la Manchester Baby, son processeur gérait l'addition. Les multiplications étaient réalisées par des additions successives, mais le processeur intégrait des registres pour mémoriser les opérandes à multiplier.

Par la suite, les ordinateurs commerciaux ont vu le jour. Les ordinateurs précédents provenaient de projets de recherches, souvent publics. Mais les entreprises privées se sont mises à fabriquer des ordinateurs elle-mêmes, pour les vendre à d'autres entreprises. On peut notamment citer les ordinateurs comme le UNIVAC I, le Bull Gamma 3 ou les premiers ordinateurs IBM. La performance de ces ordinateurs était nettement plus importante que leurs prédécesseurs, avec des fréquences de l'ordre de la centaine de kilo-hertz. Par exemple, le Bull Gamma 3 allait à 281 kHz, l'IBM 650 allait à 50 Khz.

La seconde génération : le remplacement des tubes à vides par des transistors

Cartes imprimées de l'IBM 704, avec des transistors et résistances dessus.

La seconde génération est celle des ordinateurs fabriqués avec des transistors isolés, reliés entre avec des fils électriques. Les transistors en question possèdent trois broches, des pattes métalliques sur lesquelles on connecte des fils électriques. Le transistor s'utilise le plus souvent comme un interrupteur commandé par sa troisième broche. Le courant qui traverse les deux premières broches passe ou ne passe pas selon ce qu'on met sur la troisième.

Un transistor est un morceau de conducteur, dont la conductivité est contrôlée par sa troisième broche/borne.

Les ordinateurs de seconde génération avaient entre 1000 et 500 000 transistors. Les capacités des ordinateurs étaient donc nettement supérieures à celles des ordinateurs de première génération. Une part non négligeable des ordinateurs de seconde génération supportait l'opération de multiplication, absente sur les ordinateurs de première génération. Néanmoins, cela variait beaucoup selon les ordinateurs.

Un exemple assez hors du commun est celui du premier modèle de l'IBM 1620. Le tout premier modèle n'avait aucun circuit de calcul, il n'était même pas capable de faire une addition ou une multiplication. A la place, il utilisait une table d'addition et une table de multiplication en mémoire RAM. Les deux tables devaient être initialisées par le logiciel lors du démarrage de la machine. La table d'addition faisait une centaine de chiffres, la table de multiplication faisait le double. Le processeur de l'ordinateur gérait des instructions pour faire des additions ou des multiplications, mais ces opérations lisaient le résultat dans la table d'addition. Les calculs étaient faits chiffre par chiffre, avec un encodage partiellement décimal, partiellement binaire (des chiffres décimaux étaient encodés en binaire, nous en reparlerons quand nous parlerons du BCD) !

Mémoire à tore de ferrite.

Les transistors n'étaient utilisés que pour le processeur et les circuits annexes. La mémoire n'était pas faite en transistors, pas à cette époque. La mémoire était une mémoire aujourd'hui abandonnée, appelée une mémoire à tores de ferrite. Elle sera détaillée dans un chapitre ultérieur. Mais sachez pour le moment qu'il s'agit d'une mémoire au support magnétique, les données étant stockées sur un support magnétique.

Les transistors étaient au départ de la même taille que les tubes à vide, mais ils ont rapidement rétrécit. Ils prenaient encore beaucoup de place dans les 60-70, ce qui fait que les ordinateurs étaient assez gros. Concrètement, ils prenaient une pièce de bâtiment entière dans le meilleur des cas. C'était l'époque des gros mainframes, reliés à des terminaux, peu puissants comparé aux standards actuels. Seules les grandes entreprises et les grands instituts de recherche pouvaient se payer les services de ce genre d'ordinateurs. Seuls les professionnels avaient accès à ce genre d'équipement.

La troisième génération : le circuit intégré

Exemple de circuit intégré.

La troisième génération est toujours fabriquée avec des transistors, mais dont la taille a été réduite. Avec l'évolution de la technologie, les transistors ont diminué en taille, de plus en plus. Ils sont devenus tellement petits qu'ils ont fini par être regroupés dans des circuits intégrés, des circuits regroupent plusieurs transistors sur la même puce de silicium. Les circuits intégrés se présentent le plus souvent sous la forme de boitiers rectangulaires, comme illustré ci-contre. D'autres ont des boitiers de forme carrées, comme ceux que l'on peut trouver sur les barrettes de mémoire RAM, ou à l'intérieur des clés USB/ disques SSD.

Lors de cette génération, les processeurs étaient fournis en pièces détachées qu'il fallait relier entre elles. Le processeur était composé de plusieurs circuits intégrés séparés, impossible de mettre un processeur dans un seul boitier. Un exemple de processeur conçu en kit est la série des Intel 3000. Elle regroupe plusieurs circuits séparés aux noms à coucher dehors, mais dont vous comprendrez ce qu'ils veulent dire dans les chapitres adéquats : l'Intel 3001 est un séquenceur, l'Intel 3002 regroupe unité de calcul et registres, le 3003 est un circuit d'anticipation de retenue complémentaire du 3002, le 3212 est une mémoire tampon, le 3214 est une unité de gestion des interruptions, les 3216/3226 sont des interfaces de bus mémoire. On pourrait aussi citer la famille de circuits intégrés AMD Am2900.

Même si le processeur était en pièces détachées, utiliser une dizaine de circuits intégrés était nettement mieux que d'utiliser plusieurs milliers de transistors individuels. En conséquence, les ordinateurs ont vu leur taille grandement réduite, passant de pièces entières à une simple armoire, voire à quelques cartes intégrées superposées. De plus, le prix des circuits intégré était abordable, du moins comparé aux ordinateurs d'avant. Le prix des ordinateurs a alors grandement décru, permettant à des entreprises et administrations de taille modeste de s'équiper d'ordinateurs.

La quatrième génération : le microprocesseur

Microprocesseur, ici un processeur MOS6502, de la quatrième génération.

Lors de la troisième génération, les circuits intégrés regroupaient plusieurs dizaines ou centaines de transistors, mais sont rapidement montés en gamme. De centaines de transistors, ils sont passés au millier de transistors, puis au million et maintenant au-delà du milliard. Les transistors étaient devenus tellement petits, tellement miniaturisés, qu'il était devenu possible de mettre un processeur entier dans un circuit intégré. C'est ainsi qu'est né le microprocesseur, à savoir un processeur qui tient tout entier dans un seul circuit imprimé. La quatrième génération d’ordinateur est celle des ordinateurs basés autour d'un microprocesseur.

Les tout premiers microprocesseurs étaient des processeurs à application militaire, comme le processeur du F-14 CADC ou celui de l'Air data computer. Le tout premier microprocesseur commercialisé au grand public est le 4004 d'Intel, sorti en 1971. L'intel 4004 comprenait environ 2300 transistors, avait une fréquence de 740 MHz, pouvait faire 46 opérations différentes, et manipulait des entiers de 4 bits. Il était au départ un processeur de commande, prévu pour être intégré dans la calculatrice Busicom calculator 141-P, mais il fut utilisé pour d'autres applications quelque temps plus tard. Immédiatement après le 4004, les premiers microprocesseurs 8 bits furent commercialisés. Le 4004 fut suivi par le 8008 et quelques autres processeurs 8 bits extrêmement connus, comme le 8080 d'Intel, le 68000 de Motorola, le 6502 ou le Z80.

Les microprocesseurs permirent encore uen fois de réduire la taille des ordinateurs, qui pouvaient tenir dans un boitier de PC, ou un boitier de console de jeu. Le prix des ordinateurs a aussi chuté en même temps que les transistors étaient miniaturisés. C'est cette invention qui permis l'invention des consoles de jeux et des mini-ordinateurs, à savoir les ordinateurs personnels. Sans miniaturisation, on n'aurait pas d'ordinateur personnel, pas de PC fixe ou portable.

L'organisation du cours : les différents niveaux d'explication

Le fonctionnement d'un ordinateur est assez complexe à expliquer car les explications peuvent se faire sur plusieurs niveaux. Par plusieurs niveaux, on veut dire qu'un ordinateur est composé de composants très simples, qui sont assemblés pour donner des composants eux-même plus complexes, qui sont eux-même regrouper, etc. Étudier tout cela demande de voir plusieurs niveaux, allant de transistors très petits à des processeurs multicœurs. Les niveaux les plus bas sont de l'électronique pur et dure, alors que ceux plus haut sont à mi-chemin entre électronique et informatique.

Les niveaux d'abstraction en architecture des ordinateurs

Les trois premiers niveaux sont de l'électronique pur et dure. Ils correspondent aux premiers chapitres du cours, qui porteront sur les circuits électroniques en général.

• Le premier niveau est celui des transistors, des circuits intégrés, des wafer et autres circuits de très petite taille.
• Le second niveau est celui des portes logiques, des circuits très basiques, très simples, à la base de tous les autres.
• Le troisième niveau est celui dit de la Register Transfer Level, où un circuit électronique est construit à partir de circuits basiques, dont des registres et autres circuits dits combinatoires.

Les deux niveaux suivants sont de l'informatique proprement dit. C'est dans ces deux niveaux qu'on étudie les ordinateurs proprement dit, les circuits qu'il y a dedans et non l'électronique en général.

• Le quatrième niveau est celui de la microarchitecture, qui étudie ce qu'il y a à l'intérieur d'un processeur, d'une mémoire, des périphériques et autres.
• Le cinquième niveau est celui de l'architecture externe, qui décrit l'interface du processeur, de la mémoire, d'un périphérique ou autre. Par décrire l'interface, on veut dire : comment un programmeur voit le processeur et la mémoire, comment il peut les manipuler. Une architecture externe unique peut avoir plusieurs microarchitecture, ce qui fait qu'on sépare les deux. Tout cela sera plus clair quand on passera aux chapitres sur le processeur et les mémoires.

Nous n'allons pas voir les 5 niveaux dans l'ordre, des transistors vers l'architecture externe. En réalité, nous allons procéder autrement. La première partie du cours portera sur les trois premiers niveaux, le reste sur les deux autres. Les 5 niveaux seront vus dans des chapitres séparés, du moins le plus possible. Au niveau pédagogique, tout est plus simple si on scinde les 5 niveaux. Bien sûr, il y a quelques explications qui demandent de voir plusieurs niveaux à la fois. Par exemple, dans le chapitre sur les mémoires caches, nous auront des explications portant sur la RTL, la microarchitecture du cache et son architecture externe. Mais le gros du cours tentera de séparer le plus possible les 5 niveaux.

Les trois parties principales du cours

Nous allons commencer par parler du binaire, avant de voir les portes logiques. Avec ces portes logiques, nous allons voir comment fabriquer des circuits basiques qui reviendront très souvent dans la suite du cours. Nous verrons les registres, les décodeurs, les additionneurs et plein d'autres circuits. Puis, nous reviendrons au niveau des transistors pour finir la première partie. La raison est que c'est plus simple de faire comme cela. Tout ce qui a trait aux transistors sert à expliquer comment fabriquer des portes logiques, et il faut expliquer les portes logiques pour voir le niveau de la RTL.

Une fois la première partie finie, nous allons voir les différents composants d'un ordinateur. Une première partie expliquera ce qu'il y a dans un ordinateur, quels sont ses composants. Nous y parlerons de l'architecture de base, de la hiérarchie mémoire, des tendances technologiques, et d'autres généralités qui serviront de base pour la suite. Puis, nous verrons dans l'ordre les bus électroniques, les mémoires RAM/ROM, le processeur, les périphériques, les mémoires de stockage (SSD et disques durs) et les mémoires caches. Pour chaque composant, nous allons voir leur architecture externe, avant de voir leur microarchitecture. La raison est que la microarchitecture ne peut se comprendre que quand on sait quelle architecture externe elle implémente.

Enfin, dans une troisième partie, nous allons voir les optimisations majeures présentes dans tous les ordinateurs modernes, avec une partie sur le pipeline et le parallélisme d'instruction, et une autre sur les architectures parallèles. Pour finir, les annexes de fin parlerons de sujets un peu à part.