Bref historique
Il y a de grandes chances pour que l'ordinateur qui est devant vous soit un ordinateur personnel gros comme deux boîtes à chaussures, voir encore moins s'il s'agit d'un ordinateur portable. Mais il n'en a pas toujours été ainsi, et d'ailleurs il n'en est toujours pas ainsi.
Les premiers ordinateurs
Nés dans les années 1950, les premiers ordinateurs étaient constitués de grosses et nombreuses armoires, qui nécessitaient des grandes salles machines, des systèmes de climatisation, et une armada d'opérateurs, le tout pour une puissance de traitement très inférieure à la machine que vous utilisez aujourd'hui. On les désignait par le mot anglais de mainframes et n'étaient pas utilisés par tout un chacun : leur champ d'action était cantonné au calcul scientifique et à la gestion des entreprises et administrations (comptabilité, paie, suivi client, etc.)
Avec les progrès techniques, le volume des machines a réduit et leur puissance s'est accrue : à la fin des années 1960 sont arrivés les mini ordinateurs ou mini
, gros comme un frigo ou une machine à laver, et avec eux les applications temps réel
. Dans ces applications, la machine permet de développer une interaction rapide d'abord avec l'opérateur humain, puis avec des dispositifs mécaniques, électriques ou industriels, avec des temps de réponses très brefs; dans un processus industriel "temps réel", c'est l'ordinateur qui pilote les machines.
L'ère des microprocesseurs
L'étape suivante, dans les années 1970, est l'avènement du microprocesseur, c'est-à-dire que le cœur de l'ordinateur est intégré dans un seul circuit, ou puce (chip en anglais), et avec lui les premiers micro ordinateurs, dont le fameux IBM PC (pour Personal Computer) en 1981, ancêtre de ceux que nous utilisons aujourd'hui.
Depuis, les microprocesseurs ont envahi notre vie : il y en dans beaucoup de nos objets quotidiens, comme notre machine à laver ou même notre cafetière électrique. Certes il s'agit là d'ordinateurs très élémentaires, souvent réduits au seul microprocesseur : on les appelle alors microcontrôleurs
, car dans la puce sont intégrés des organes de commande (relais, circuits d'acquisition, etc.) qui permettent de réaliser des fonctions de contrôle et de commande basiques : régulation d'une température, minuterie, déclenchement et arrêt, etc.
Pour autant, il existe toujours de gros ordinateurs, pour des applications professionnelles, doté de puissances de calcul très supérieures à celles de leurs grands frères des années 1960 : centres de gestion (banques, entreprises en tout genre), systèmes de contrôle aérien, nœuds de gestion de réseaux de télécommunication, supercalculateurs dédiés au calcul scientifique intensif qui déroulent en quelques secondes des traitements qui prendraient des années sur le plus puissant des PC. Dans ce dernier cas, il s'agit en fait de plusieurs centaines d'ordinateurs interconnectés, et leurs performances spectaculaires sont obtenues en parallélisant massivement les traitements sur les différents nœuds de calcul.
Vers une informatique de plus en plus mobile
L'évolution des microprocesseurs et autres circuits électroniques numériques, vers toujours plus de capacités, plus de compacité et moins de puissance consommée, a permis au tournant des années 2000 le développement de la téléphonie mobile, puis des smartphones et autres tablettes, qui font que l'on peut avoir à tout moment un ordinateur dans la poche. Nous y consacrerons une rubrique dédiée : Téléphonie mobile et compagnie.
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Mais après ce tour d'horizon, revenons à notre ordinateur personnel.
Les organes de mon ordinateur
Un ordinateur est constitué d'une unité centrale et de périphériques.
L'unité centrale ou UC (en anglais CPU : Central Processing Unit) comprend :
- le processeur (la puce)
- des périphériques internes : mémoire centrale, contrôleur d'interruptions, ports d'entrées-sorties, contrôleur réseau, processeur graphique, séquenceur de sons, etc.
- un ou plusieurs bus : ce sont les artères de données qui assurent la communication entre CPU et périphériques
- tout cela est implanté sur une ou plusieurs cartes : carte mère (cf. image ci-contre) + éventuellement carte graphique, carte son, etc.
Le tout est logé dans un boîtier constitué d'une caisse, de prises et d'une alimentation électrique destinée à transformer le 220V alternatif en 3.3V, 5V et 12V continu qui alimentent les circuits.
Les périphériques externes sont principalement :
- le clavier,
- la souris,
- l'écran,
- l'imprimante,
- le scanner,
- le disque dur,
- le lecteur et/ou graveur de CD,
- et bien d'autres.
Il est à noter que, vus du CPU, le disque dur ou le lecteur de CD sont des périphériques externes même s'ils sont logés dans le même boîtier que l'UC.
Comment ça marche?
Le processeur est le cœur de la machine, c'est lui qui réalise les opérations, les autres organes étant là pour stocker les informations, temporairement ou de façon durable, ou les échanger avec l'extérieur.
Comme tous les organes ne sont pas aussi rapides, ou ne permettent pas un accès direct à l'information élémentaire, l'espace de travail du processeur est essentiellement la mémoire centrale, d'accès rapide et direct (d'où l'appellation de RAM = Random Access Memory) mais volatile (les informations sont perdues quand on éteint la machine), vers laquelle les données sont transférées avant traitement, puis retransférées vers un autre support (ou le support d'origine) après traitement.
Ainsi, quand vous ouvrez un document avec votre traitement de texte, le contenu d'un fichier situé sur votre disque dur est transféré en mémoire centrale, et les modifications que vous y faites ne seront retransférées sur le disque dur que quand vous enregistrerez à nouveau le document.
Les programmes eux-mêmes, qui sont stockés sur le disque dur de votre ordinateur, sont chargés en mémoire avant de pouvoir être exécutés. Par contre, ils ne sont pas réécrits sur le disque à la fin de leur exécution, car ils n'ont pas été modifiés par l'exécution.
Les organes de stockage sont les disques durs, les CD ou DVD, les clés USB, les cartes mémoire (par ex. d'appareil photo numérique). La plupart sont à accès en lecture et en écriture (disques, clés USB, cartes mémoire), mais certains sont à accès en lecture seule (ex. CD-ROM , pour Read-Only Memory) ou en écriture une fois puis lecture uniquement après (ex. le CD que vous gravez est WORM : Write Once, Read Multiple). Il existe maintenant des CD-RW et des DVD-RW, qu peuvent être effacés et ré-écrits un certain nombre de fois.
Les autres organes sont des périphériques d'échange avec l'extérieur :
- le clavier et la souris permettent à l'utilisateur d'entrer des données et d'agir sur l'ordinateur,
- l'écran et l'imprimante permettent à l'ordinateur de présenter des informations à l'utilisateur
- le scanner et la tablette graphique sont des périphériques d'entrée spécialisés pour le graphisme : numériser des images, dessiner sur l'ordinateur.
Selon la complexité des périphériques, le processeur pourra y accéder directement, ou passera par un circuit spécialisé appelé contrôleur de périphérique, ou encore exécutera un bout de logiciel spécialisé appelé le pilote du périphérique - en anglais driver (voir Le système d'exploitation).
L'accès unifié aux données : l'adressage
Comment le processeur s'adresse-t-il à tous ces organes (mémoire, périphériques divers)?
En réalité, le processeur, qui ne sait manipuler que des informations binaires (voir La représentation des informations), distingue les données (données élémentaires qui constituent les informations de l'utilisateur) et les adresses, qui représentent les emplacements où se trouvent les données.
Les adresses sont des nombres entiers positifs qui permettent de repérer (on dit adresser) tous les organes de l'ordinateur : une plage d'adresses est affectée à la mémoire centrale, d'autres plages aux différentes catégories de périphériques, et ce de façon uniforme et peu ou prou contiguë. Comme les adresses sont représentées sur un nombre fini de chiffres binaires (64 dans les machines les plus récentes, 32 dans les machines d'il y a quelques années), la capacité d'adressage est finie, donc un ordinateur ne pourra pas avoir une quantité infinie de mémoire, ni un nombre infini de périphériques.
La partie du microprocesseur qui exécute les programmes - l'Unité Arithmétique et Logique (UAL) - enchaîne des opérations élémentaires (on dit des instructions) qui se résument donc à manipuler des données situées à des adresses; ainsi :
- additionner 2 nombres consiste à prendre un opérande à une adresse, l'autre opérande à une autre adresse, les additionner et placer le résultat à une 3e adresse
- enregistrer un document consiste à lire des octets à des adresses successives en mémoire centrale, et à les copier à l'adresse du contrôleur de disque qui, lui, les rangera sur le disque dur.
