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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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,...

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.

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, chaque instruction effectuant une action dans l'ordinateur. Sur les ordinateurs modernes, la majorité de ces instructions effectuent une opération arithmétique, comme 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.

Une instruction est représentée dans un ordinateur par une série de nombres : 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.

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

Au tout début de l'informatique, on utilisait des cartes perforées en plastique, sur lesquelles on inscrivait le programme à exécuter, les données à traiter, bref : tout ce qu'on donnait à manger à l'ordinateur. 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'interrupteur 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 premières générations : des ordinateurs qui prenaient des pièces de bâtiment entières

La première génération d'ordinateur est celle des ordinateurs datant d'avant l'invention du transistor. Ils étaient conçus avec des tubes à vide, des composants électroniques assez rudimentaires.

Les ordinateurs de première génération étaient très simples, ils ne géraient que quelques opérations simples : l'addition, la soustraction, pas grand chose de plus. Ils ne géraient pas la multiplication et encore moins la division, ils n'avaient pas assez de tubes à vides à disposition pour cela.

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.

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.

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.

Transistors comme tubes à vide prenaient beaucoup de place, 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

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 finit 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 pièce 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 passé au milliers de transistors, puis au millions 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 était 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.

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