Architecture des ordinateurs

Dans le modèle d’architecture associé à von Neumann, la mémoire contient des instructions et des données. Le processeur exécute les instructions et réalise les traitements. Les entrées apportent de l’information à la machine ; les sorties rendent un résultat ou commandent un dispositif. Les bus assurent des communications entre constituants. Cette organisation explique qu’on puisse changer de tâche en changeant de programme, sans reconstruire tous les circuits de la machine.

L’unité de commande, notée UC, organise l’exécution. L’unité arithmétique et logique, notée UAL, réalise des opérations comme une addition ou une comparaison. Des registres gardent temporairement des informations utilisées par le processeur. Un registre n’est pas l’ensemble de la mémoire principale ; il sert à des opérations proches du calcul en cours. La mémoire possède des emplacements repérés par des adresses. Le contenu d’une adresse et l’adresse elle-même sont deux informations distinctes.

Il faut aussi distinguer mémoire de travail et stockage persistant. La mémoire vive courante perd ses informations lorsque l’alimentation disparaît ; le stockage sur un support comme un SSD conserve normalement les fichiers. Charger un programme depuis le stockage permet de placer en mémoire les éléments nécessaires à son exécution. Dire qu’un ordinateur manque de mémoire ne signifie donc pas forcément que son disque est plein. Ces ressources n’ont ni le même rôle ni les mêmes contraintes.

Une instruction machine décrit une opération que le processeur sait réaliser. Un cycle conceptuel commence par la lecture de l’instruction à l’adresse indiquée par le compteur ordinal. L’unité de commande la décode puis organise son exécution. En l’absence de saut, le compteur désigne ensuite l’instruction suivante. Un saut modifie cet enchaînement, par exemple pour recommencer une boucle ou choisir une branche. Il n’est pas nécessaire de connaître le codage réel d’un processeur pour suivre une trace simplifiée.

Pour nos traces, un registre R sert d’accumulateur. Les instructions fictives CHARGER a, AJOUTER a et STOCKER a utilisent le contenu de l’adresse a : elles le copient dans R, l’ajoutent à R ou reçoivent la valeur de R. L’instruction ARRET termine l’exécution. Cette convention décrit un petit langage pédagogique ; les mots employés ne sont pas des instructions universelles de tous les ordinateurs. Avant de calculer, il faut toujours lire la définition des instructions fournies.

Un modèle séquentiel traite les instructions selon un ordre défini. Les machines réelles peuvent employer plusieurs cœurs ou processeurs et exécuter plusieurs tâches en parallèle. Une architecture monoprocesseur et une architecture multiprocesseur ne proposent donc pas la même organisation matérielle. Cependant, disposer de plusieurs unités ne divise pas automatiquement le temps de tout programme par leur nombre : il faut pouvoir répartir le travail, coordonner les échanges et tenir compte des parties qui restent séquentielles.

Les circuits combinatoires réalisent des fonctions booléennes : leurs sorties dépendent des entrées présentes, selon une règle logique. Une entrée booléenne peut prendre les valeurs 0 ou 1. La porte ET renvoie 1 seulement lorsque ses deux entrées valent 1. La porte OU renvoie 1 lorsqu’au moins l’une vaut 1 ; la négation inverse la valeur. Une table de vérité énumère tous les cas possibles. Pour deux entrées, il y a quatre combinaisons à examiner.

La combinaison de portes permet de construire des fonctions plus complexes, notamment des opérations intervenant dans le calcul arithmétique. Il faut distinguer une fonction booléenne de la représentation matérielle qui la réalise. L’expression a and b décrit une règle logique ; un circuit effectue cette règle sur des signaux physiques. Le résultat booléen ne correspond pas à une instruction complète de haut niveau : plusieurs étapes séparent une fonction écrite en Python et les opérations du matériel.

Un capteur transforme une grandeur ou un événement physique en information utilisable. Un capteur de température fournit une mesure ; un bouton fournit une information d’activation. Un actionneur transforme une commande en action physique, comme un moteur qui tourne ou une lampe qui s’allume. Un dispositif peut réunir les deux fonctions. La distinction dépend du sens de circulation de l’information : de l’environnement vers le programme pour la mesure, du programme vers l’environnement pour la commande.

Dans un système embarqué simple, le programme acquiert une mesure, la compare à une règle puis commande une sortie. Le cahier des charges doit préciser les unités, les seuils et ce qu’il faut faire à l’égalité. La mesure n’est pas forcément parfaite ; un résultat de simulation prouve seulement le comportement du modèle testé. Pour une réalisation matérielle, les caractéristiques du capteur et de l’actionneur doivent être connues avant de brancher ou programmer le dispositif.

La rubrique S’entraîner se trouve à l’adresse /exercices. Reprends une courte trace machine, puis explique le chemin d’une information depuis un capteur jusqu’à une commande.