Comment Travaille l'Ordinateur ? Structure de l'Ordinateur :
PRÉFACE :
Le champ d'utilisation des
ordinateurs est très vaste et leurs possibilités sont extraordinaires :
ils peuvent en effet voir, lire, entendre, parler, diriger des missiles, jouer
aux échecs, commander des machines-outils, apprendre et composer de la musique ...
Tout cela peut, sous un certain
aspect, nous effrayer ; même les histoires drôles que l'on raconte sur
les ordinateurs révèlent en général une peur de l'inconnu, un état d'infériorité
à l'égard d'une intelligence éloignée et peut-être supérieure à la nôtre,
la crainte de la concurrence et d'être remplacé dans son propre travail par le micro-ordinateur.
La peur de certains techniciens en
électronique est d'être dépassés par une technologie qu'ils ne comprennent
pas complètement. En fait, on entend souvent utiliser le terme "cerveau"
au lieu d'ordinateur et vanter son intelligence.
Si l'on parle de cerveau, il est
logique de penser qu'il est intelligent ; mais un cerveau électronique semblable au nôtre n'existe pas.
Un ordinateur n'est pas un cerveau
et ne possède pas d'intelligence.
Au fur et à mesure que l'on
avancera dans les leçons, on constatera qu'un ordinateur fait seulement des
actions pour lesquelles il a été programmé. Il peut toutefois augmenter,
faciliter et rendre plus rapides les capacités humaines.
C'est un outil que l'homme peut
utiliser pour améliorer son confort et gagner du temps s'il sait s'en servir.
La puissance des ordinateurs va bien
au-delà de celle que possèdent d'autres appareils car ils exécutent des
programmes très complexes créés par l'homme.
Si l'on examine un ordinateur en détail,
on constate qu'il reconnaît peu d'instructions ; il peut exécuter en
particulier les tâches suivantes :
calculs mathématiques,
stockage et sélection de
grandes quantités d'informations,
évaluation de la meilleure
solution d'un problème.
L'ensemble des instructions
constitue le programme ; celui-ci peut être changé facilement et
rapidement mais sa préparation peut demander beaucoup de temps.
L'ordinateur est une machine
programmable capable d'exécuter des tâches successives ou simultanées. De
plus, étant composé de différentes parties, il peut être étendu ou modifié
de façon à pouvoir s'adapter à des tâches différentes.
Il est très rare que les
ordinateurs commettent des erreurs et certains sont conçus pour détecter cette éventualité.
Souvent, les erreurs sont dues au
fait que le programme contient quelques instructions erronées.
En définitive, l'ordinateur n'est
qu'un système électronique programmable, de traitement de données.
Si l'on regarde à l'intérieur d'un
ordinateur, on s'aperçoit qu'il est constitué d'éléments électroniques qui
nous sont désormais familiers : circuits imprimés, connecteurs,
circuits intégrés, résistances, condensateurs, fils, interrupteurs, LED ...
Mais à l'intérieur de ces circuits
intégrés, il y a des dizaines de milliers de transistors et l'ensemble
travaille à une très grande vitesse : des centaines de milliers d'opérations
élémentaires par seconde. Les ordinateurs peuvent produire une grande quantité
de travaux dans un temps très inférieur à celui qui est nécessaire pour
effectuer les mêmes tâches en utilisant n'importe quel autre moyen.
La puissance de l'ordinateur réside
surtout dans sa vitesse de traitement et d'exécution des données et c'est pour
cela que l'homme s'en sert.
On a vu dans la leçon précédente
la structure générale d'un ordinateur et que le fonctionnement de celui-ci se
base sur un programme. Ce dernier point est la caractéristique fondamentale de
tous les ordinateurs. (Voir la
1ère leçon théorique).
VON NEUMANN s'était rendu compte
que le problème était de faire en sorte que la machine sache, seule, quelle opération
exécuter après avoir terminé la précédente. Ainsi, il était arrivé à
faire exécuter les calculs en succession automatique, selon un programme préétabli.
La machine de VON NEUMANN est
constituée d'un exécuteur rapide d'opérations élémentaires et d'un organe
qui dispose la séquence selon laquelle les opérations doivent être exécutées
; elle garde en mémoire les valeurs des nombres qui entrent dans les opérations
et leurs résultats.
Cette machine fut une invention
merveilleuse à tel point qu'aujourd'hui encore, les ordinateurs sont réalisés
sur le même principe.
Ils travaillent d'une façon dite
séquentielle
par le fait que les calculs sont exécutés en séquence. Mais, sous cet aspect,
ils manifestent déjà leurs limites car les masses de données qu'ils traitent
nécessitent des vitesses de traitement de plus en plus grandes que les circuits
électroniques ne peuvent fournir.
A l'heure actuelle, on essaie de réaliser
des réseaux d'ordinateurs, chacun effectuant simultanément une partie du travail.
Ce nouveau système est connu sous
le nom de système à procédés
parallèles.
Il est déjà adopté pour les calculs scientifiques et il faudra attendre des
années pour qu'il soit utilisé pour des applications ordinaires mais, quand
cela arrivera, les systèmes de calcul auront atteint une augmentation énorme de capacité.
Dans la leçon précédente, on a
examiné l'architecture d'un micro-ordinateur ; voyons maintenant en détail
sa composition interne.
Sur la figure 1, est reproduit le
schéma synoptique d'un ordinateur. Ce schéma est encore très abstrait mais
ensuite, des détails viendront l'enrichir jusqu'à mettre en évidence les
circuits d'un microprocesseur.
On a déjà parlé des unités
d'entrée et de sortie que l'on va examiner maintenant plus en détail.
2. 1. - UNITÉ D'ENTRÉE (INPUT UNIT)
Elle est constituée de dispositifs
capables d'introduire des données ou des instructions à l'intérieur de
l'ordinateur et on peut la considérer composée de deux parties (figure 2).
La première partie est représentée
par un clavier ou par d'autres dispositifs transducteurs qui transforment un
mouvement ou un état extérieur (température, pression, position ...)
en un signal électrique binaire.
La deuxième partie est généralement
formée de circuits séquentiels et combinatoires qui ont pour fonction :
de stocker temporairement les
données qui viennent de l'extérieur,
de gérer les signaux de
commande pour les organes externes,
de mémoriser les conditions
dans lesquelles se trouve le dispositif externe (par exemple s'il est
alimenté, s'il a reçu correctement un ordre ...).
L'unité d'entrée exécute deux tâches
principales :
introduire les données et les
programmes pour prédisposer l'ordinateur,
permettre à l'ordinateur de
communiquer avec des dispositifs qui ne sont généralement pas compatibles
avec lui. Dans ce cas, l'unité d'entrée prend le nom d'interface.
Sur les ordinateurs individuels, on
introduit programmes et données par l'intermédiaire de claviers pratiquement
semblables à ceux des machines à écrire ou, dans les cas les plus simples, à
ceux des calculatrices de poche. Chaque touche actionne un interrupteur (switch)
à fermeture momentanée ; d'autres types d'interrupteurs à deux
positions peuvent donner des ordres non momentanés.
Dans certains types d'ordinateurs
avec interfaces, on utilise des transducteurs de signaux. On peut, par exemple,
montrer sur un écran les résultats obtenus par l'ordinateur. Souvent,
certaines interfaces font déjà partie de l'ordinateur tandis que d'autres sont
des options.
2. 2. - UNITÉ DE SORTIE (OUTPUT UNIT)
Elle sert à véhiculer les données
(informations) à l'extérieur de l'ordinateur. Elle aussi, comme l'unité
d'entrée, peut être imaginée composée de deux parties (figure 3).
Le moyen le plus courant que
l'ordinateur a pour communiquer avec l'usager est l'écran
vidéo (ou moniteur vidéo) sur lequel apparaissent les nombres, les images et les graphiques. Il s'agit d'un écran
semblable à celui d'un poste de télévision ; parfois même, en
utilisant des interfaces appropriées, on peut utiliser un téléviseur comme
moniteur vidéo.
En cas de manque d'écran vidéo,
l'ordinateur peut être équipé d'un afficheur (display) généralement à LED.
Quand l'ordinateur est appelé à
communiquer avec d'autres machines, par exemple pour contrôler certains travaux
mécaniques, il est équipé d'actionneurs.
L'actionneur
est un dispositif capable d'effectuer certaines manœuvres à la place de
l'homme. Les compteurs, les électrovannes et les moteurs auxiliaires pour exécuter
des ordres sont des actionneurs typiques.
2. 3. - LA MÉMOIRE (MEMORY)
La mémoire sert à conserver les
programmes et les données ainsi que les résultats des opérations réalisées
par le calculateur. Dans un système élaboré, on trouve d'habitude deux types
de mémoires :
une mémoire principale,
interne à l'ordinateur, généralement constituée de composants à
semi-conducteurs,
une mémoire secondaire,
ou de masse, externe à l'ordinateur, représentée par des
disques ou bandes magnétiques.
Les mémoires sont caractérisées
par le mode d'accès à l'information :
mémoires à accès aléatoire (Random
Access
Memories :RAM)
dans lesquelles l'information peut être accessible à n'importe quel moment
; les mémoires à semi-conducteurs sont de ce type.
mémoires à accès séquentiel
(Sequential
Access
Memories) dans lesquelles
l'information souhaitée est accessible seulement après avoir passé en
revue toutes celles qui la précèdent ; les mémoires à bande magnétique
sont de cette catégorie.
La mémoire centrale de l'ordinateur
est constituée par un ensemble d'emplacements (ou locations en anglais) dans
lesquels est stockée l'information binaire (bits ou mots).
L'information peut être une donnée,
une instruction ou une partie de celle-ci comme on le verra plus loin.
Chaque information est formée par
un groupe de bits de longueur fixe.
On a les possibilités suivantes :
de 1 à 4 bits : mot
utilisé par les systèmes pour le contrôle numérique,
8 bits (octet) : mot
utilisé par une grande partie des micro-ordinateurs,
16 bits
: mot utilisé par les micro-ordinateurs de haut de gamme,
32 ou 64 bits
: mot utilisé par les gros ordinateurs de type professionnel.
Note:
Le mot américain
Byte,
que l'on assimile souvent à un octet (8 bits), signifie en réalité
"mot"
quel que soit le nombre de bits de ce mot.
La mémoire est définie par une
adresse
(nombre représentant l'emplacement dans l'espace mémoire) et une
donnée
qui est le contenu de l'information à l'adresse en question.
On peut représenter un espace mémoire
comme sur la figure 4.
L'Unité
Centrale de
calcul (UC),
Central
Processing
Unit en anglais
(CPU)
est le cœur de
l'ordinateur. Elle est composée essentiellement de deux parties : l'Unité
Arithmétique et
Logique
(UAL,
en anglais
Arithmetic and
Logic
Unit ou
ALU)
et l'Unité de
Commande (figure 5).
L'UC
des micro-ordinateurs et des ordinateurs individuels est intégrée dans un seul
dispositif :le microprocesseur.
Plus loin, nous verrons comment
l'UC
travaille et comment elle est formée à son tour par d'autres éléments
(registres et compteurs).
A l'extérieur de
l'UC
se trouve l'horloge (CLOCK) : c'est
le générateur d'impulsions qui donne le rythme à tous les circuits de
l'ordinateur.
L'UAL
effectue les opérations arithmétiques (sommes,
soustractions) et les opérations logiques (AND,
OR, EX-OR et ainsi de suite).
La cadence de l'horloge est déterminée
de façon telle que l'UAL
travaille au
maximum de ses possibilités, c'est-à-dire de façon à exploiter au mieux sa vitesse.
La vitesse de
l'UAL
qualifie la performance de la machine ; par exemple, une multiplication
est exécutée dans un temps compris entre un et dix millièmes de seconde par
un micro-ordinateur, en un millionième de seconde par un mini-ordinateur très
performant et en un temps plus faible par les ordinateurs scientifiques de type professionnel.
L'unité de commande gère le
fonctionnement de l'UAL
ainsi que l'échange
de données et d'instructions avec la mémoire.
2. 5. - L'ALIMENTATION
Sur le schéma de la figure 1, ce
module n'apparaît pas mais tous les ordinateurs ont besoin d'une alimentation
qui leur donne la puissance électrique nécessaire.
Parfois, l'alimentation est incorporée
dans l'ordinateur, parfois elle en est séparée.
Il arrive aussi qu'il faille
augmenter la puissance de l'alimentation pour augmenter la capacité d'un
ordinateur en y greffant d'autres composants tels qu'un groupe de mémoires ou
des interfaces.
Les gros ordinateurs demandent des
circuits stabilisateurs qui compensent les fluctuations de la tension du réseau
responsable d'avaries (destructions de programmes en cours).
Dans certains cas, une alimentation
de secours, utilisant des batteries, intervient automatiquement en cas de défaillance
de la tension du secteur ; l'ordinateur peut poursuivre alors le déroulement
d'un programme sans perdre les informations stockées en mémoire.
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