Nous allons ici détailler les éléments historiques et scientifiques ayant mené à la construction des ordinateurs tels que nous les connaissons.

Inspirations et autres sources

Ce support de cours est librement inspiré des suivants:

• https://lycee.educinfo.org/index.php?activite=architecture&page=introduction
• Le jeu des 7 familles de l'informatique
• Les cours afférents proposés à l'accueil.
• L'ordinateur par Interstices
• Ressources transversales historiques
• Le livre "Du boulier à la révolution numérique", aux éditions RBA par Vincenç Torra.
• Un billet sur les temps d'accès à la mémoire https://zestedesavoir.com/billets/2909/le-microprocesseur-ce-monstre-de-puissance-qui-passe-son-temps-a-attendre/

Le TP et ses documents:

• TP
• Von neumann incomplet
• Carte mère incomplète

Cours

Le cours de https://clogique.fr est complet et facile à lire, il est disponible à l'adresse suivante: https://clogique.fr/nsi/premiere/VonNeumann/.

À retenir:

Avant de lire ceci

Vous devez avoir lu et compris le cours sur l'architecture de Von Neumann. Ce qui suit n'est qu'un résumé partiel et insuffisant.

Historique

Les machines à calculer manuelles ont été introduites dès l'antiquité. Elles ont d'abord servies comme aide pour décharger la mémoire lors des calculs complexes. À partir du XVII^ème siècle, on met au points les premiers instruments mécanique de calcul, comme les règles à calcul ou la Pascaline. Au XIX^ème siècle, Charles Babbage tente la mise au point d'une machine à calculer entièrement mécanique, malheureusement trop coûteuse.

À partir du XX^ème siècle, les premiers calculateurs naissent avec les guerres mondiales. Alan Turing, mathématicien Anglais met au point le modèle théorique de l'ordinateur que nous utilisons encore aujourd'hui. John Von Neumann, mathématicien Americano-hongrois mit au point le modèle pratique de l'ordinateur dans le cadre du Projet Manhattan.

Le modèle de Von Neumann

Le modèle de Von Neumann décrit un ordinateur comme 4 composants principaux.

• L'unité de contrôle permet d'exécuter un programme, avec ses boucles et ses conditions.
• L'unité arithmétique permet d'effectuer les calculs sur les données.
• La mémoire permet de stocker les données et les programmes à exécuter.
• Les entrées / sorties, pour communiquer avec la machine.

Aujourd'hui, même s'ils sont plus évolués, les ordinateurs respectent toujours cette architecture.

Zoom sur les composants : La mémoire

La mémoire d'un ordinateur peut être vue comme un ensemble de cellules qui stockent des données. Chaque cellule est capable de stocker un unique octet.

Combien de valeurs différentes peut prendre une cellule mémoire ?

Elle stocke un octet, donc 8 bits, donc $2^8-1=255$ valeurs différentes.

On attribue à chaque cellule une adresse mémoire, en commençant à 0.

Si on a 256 cellules, quelle est l'adresse de la dernière cellule ?

Vu que l'on compte depuis 0, la dernière cellule est situé à l'adresse $256-1=255$.

Une cellule peut être accédée en lecture ou écriture:

• Si on lit la cellule à l'adresse 24, on obtient son contenu.
• Si on écrit $72$ à l'adresse 24, la cellule contient désormais le nombre $72$.

Les deux mémoires principales sont:

• La RAM ou mémoire vive qui est volatile, elle est effacée quand on éteint l'ordinateur
• La mémoire morte qui est persistante, elle survit à l'arrêt de l'ordinateur.

Zoom sur les composants : L'Unité Arithmétique et Logique

L'UAL est un ensemble de circuits logiques et de petites mémoires appelées registres.

• Les circuits permettent de faire des opérations arithmétiques, logiques, des comparaisons et des opérations sur les bits.
• Les registres permettent de stocker des données et des résultats.

Zoom sur les composants: L'Unité de Contrôle

L'UC est elle aussi composée de circuits et de registres. Elle se charge de lire le programme en mémoire et de décoder et exécuter les instructions.

Elle est cadencée par une horloge présente dans le processeur, qui la fait s'exécuter à une fréquence donnée, en Hz.

Assembleur

Un ordinateur ne parle ni français ni python, uniquement binaire. Pour exécuter un programme, il faudrait donc l'écrire en binaire et le mettre en mémoire.

Au lieu de faire ça, nous utilisons un langage plus simple (le python par exemple), qui est ensuite traduit en binaire pour être exécuté. Dans certains cas on doit cependant écrire en binaire pour utiliser au mieux les capacités du processeur.

Au lieu d'écrire directement en binaire, on utilise un langage dit d'assemblage ou assembleur. Ce langage est spécifique à chaque processeur et est extrêmement limité.

Les opérations en assembleur sont écrites sous la forme opération opérande1 opérande2 .... Elles manipulent directement: l'UAL, la mémoire, les registres. En assembleur, nous n'avons pas de variables ou de types il faut tout refaire nous même.