Ordinateur - Définition et Explications

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Types d’ordinateurs

  • Machine de Turing
  • Ordinateurs du futur
    • Ordinateur quantique
    • Ordinateur à ADN
    • Ordinateur optique
    • Ordinateur neuronal

Par domaine d'application

  • Les ordinateurs de taille moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) (midrange) (exemples : IBM (International Business Machines Corporation (IBM) est une société multinationale américaine présente dans les domaines du matériel informatique, du...) AS/400-ISeries, RS/6000...)
  • Ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de...) personnel
  • Serveur
  • Système embarqué (Un système embarqué peut être défini comme un système électronique et informatique autonome, qui est dédié à une tâche bien précise. Ses ressources disponibles...)

Par taille

  • Ordinateur de poche : Assistant personnel (Un assistant numérique personnel est un appareil numérique portable, souvent appelé par son sigle anglais PDA pour Personal Digital Assistant.)
  • Ordinateur portable : Ultraportable (Un ultraportable ou ultra-portable désigne un ordinateur portable de taille très réduite et de poids minimum dont la principale qualité est de pouvoir être transporté et utilisé...), Tablette PC, Ordinateur portable (Un ordinateur portable, laptop (en Suisse) ou encore PC portable est un ordinateur personnel qui, grâce à un poids et un encombrement limités, peut être transporté très...)
  • Ordinateur de bureau : Mini PC (Un mini PC est un ordinateur compatible PC de petite taille (15 à 20 cm de large, 15 à 20 cm de long, 3 à 5 cm d'épaisseur) conçu pour le besoin basique de consultation grand public...), ordinateur de bureau (Un ordinateur de bureau (de l'anglais desktop computer ; aussi appelé ordinateur fixe) est un ordinateur personnel (Personal Computer ou PC) destiné à...), Station de travail
  • Ordinateur géant : Mainframe, Superordinateur (Un superordinateur (ou supercalculateur) est un ordinateur conçu pour atteindre les plus hautes performances possibles avec les technologies connues...)

Par architecture (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.)

  • Amiga (L’Amiga est une famille d’ordinateurs personnels commercialisée par Commodore International entre 1985 et 1994. Le prix modique de l’entrée de gamme et les...)
  • CISC
  • Compatible PC (Un compatible PC, ou simplement un PC, est un ordinateur compatible avec l'IBM PC apparu en 1981. En 2008, pratiquement tous les ordinateurs personnels sont des compatibles PC. Ils sont basés sur les...)
  • Macintosh (Macintosh (prononcé /makintɔʃ/) ou Mac est une série de différentes familles d'ordinateurs personnels conçus, développés, et vendus par Apple. Le premier Macintosh, le...)
  • PC lame
  • RISC
  • x86 (La famille x86 regroupe les microprocesseurs compatibles avec le jeu d'instructions de l'Intel 8086. Cette série est nommée IA-32 (pour Intel architecture 32 bits) par Intel pour ses processeurs...)

Fonctionnement d’un ordinateur

Parmi toutes les machines inventées par l'Homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement...), l'ordinateur est celle qui se rapproche le plus du concept anthropologique suivant :

Organe d'entrée. Organe de traitement de l'information. Organe de sortie

Chez l'Homme, les organes d'entrée sont les cinq sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant...), l'organe de traitement est le cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité...) dont les logiciels sont l'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences,...) avec des mises à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent...) constantes en cours de vie (La vie est le nom donné :), puis les organes de sortie sont les muscles. Pour les ordinateurs modernes, les organes d'entrée sont le clavier et la souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant tout l’espèce commune Mus musculus, connue aussi comme animal de compagnie ou de laboratoire, mais aussi de nombreuses...) et les organes de sortie, l'écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par...), l'imprimante (Les imprimantes ont été conçues dès l’apparition des premiers ordinateurs, pour permettre la consultation et la conservation sur support papier des...), le graveur de DVD (Le DVD officiellement Digital Versatile Disc - même si d'autres dénominations sont employées - est un disque optique numérique exploité pour la sauvegarde et le stockage de données,...), etc.

Éclaté d'un ordinateur

Les techniques utilisées pour fabriquer ces machines ont énormément changé depuis les années 1940 et sont devenues une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) (c’est-à-dire un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) industriel organisé autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de techniques) à part entière depuis les années 1970. Beaucoup utilisent encore les concepts définis par John von Neumann (John von Neumann, mathématicien et physicien américain d'origine hongroise, a apporté d'importantes contributions tant en mécanique quantique, qu'en analyse fonctionnelle, en théorie des...), bien que cette architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) soit en régression : les programmes ne se modifient plus guère eux-mêmes (ce qui serait considéré comme une mauvaise pratique de programmation), et le matériel prend en compte cette nouvelle donne en séparant aujourd'hui nettement le stockage des instructions et des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.), y compris dans les caches.

L’architecture de von Neumann décomposait l’ordinateur en quatre parties distinctes :

  1. l’unité arithmétique et logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant à la fois raison, langage, et raisonnement) est dans une...) (UAL) ou unité de traitement : son rôle est d’effectuer les opérations de base, un peu comme le ferait une calculatrice ;
  2. l’unité de contrôle. C’est l’équivalent des doigts qui actionneraient la calculatrice ;
  3. la mémoire qui contient à la fois les données et le programme qui dira à l’unité de contrôle quels calculs faire sur ces données. La mémoire se divise entre mémoire vive (La mémoire vive, mémoire système ou mémoire volatile, aussi appelée RAM de l'anglais Random Access Memory (que l'on traduit en français par 'mémoire à accès aléatoire'), est la...) (programmes et données en cours de fonctionnement) et mémoire permanente (programmes et données de base de la machine) ;
  4. les entrées-sorties : dispositifs qui permettent de communiquer avec le monde (Le mot monde peut désigner :) extérieur.

UAL et UC

L’unité arithmétique et logique ou UAL est l’élément qui réalise les opérations élémentaires (additions, soustractions...), les opérateurs logiques (ET, OU, NI, etc.) et les opérations de comparaison (par exemple la comparaison d’égalité entre deux zones de mémoire). C’est l’UAL qui effectue les calculs de l’ordinateur.

L’unité de contrôle prend ses instructions dans la mémoire. Celles-ci lui indiquent ce qu’elle doit ordonner à l’UAL et, comment elle devra éventuellement agir selon les résultats que celle-ci lui fournira. Une fois l’opération terminée, l’unité de contrôle passe soit à l’instruction suivante, soit à une autre instruction (Une instruction est une forme d'information communiquée qui est à la fois une commande et une explication pour décrire l'action, le comportement, la méthode ou la tâche qui devra commencer, se terminer, être conduit, ou exécuté.) à laquelle le programme lui ordonne de se brancher.

L'unité de contrôle facilite la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) entre l'unité arithmétique et logique, la mémoire ainsi que les périphériques. Il gère la plupart de l'exécution des instructions dans l'ordinateur.

Mémoire

Au sein du système, la mémoire peut être décrite comme une suite de cellules numérotées contenant chacune une petite quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...) d’informations. Cette information peut servir à indiquer à l’ordinateur ce qu’il doit faire (instructions) ou contenir des données à traiter. Dans la plupart des architectures, c'est la même mémoire qui est utilisée pour les deux fonctions. Dans les calculateurs massivement parallèles, on admet même que des instructions de programmes soient substituées à d’autres en cours d’opération lorsque cela se traduit par une plus grande efficacité. Cette pratique était jadis courante, mais les impératifs de lisibilité du génie logiciel (Si on se réfère à l'arrêté ministériel du 30 décembre 1983 relatif à l'enrichissement du vocabulaire de l'informatique [Journal officiel du 19 février 1984], on...) l'ont fait régresser, hormis dans ce cas particulier, depuis plusieurs décennies.

Cette mémoire peut être réécrite autant de fois que nécessaire. La taille de chacun des blocs de mémoire ainsi que la technologie utilisée ont varié selon les coûts et les besoins : 8 bits pour les télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le terme synonyme officiel «communication électronique». Elles se...), 12 bits pour l’instrumentation (DEC) et 60 bits pour de gros calculateurs scientifiques (Control Data). Un consensus a fini par être trouvé autour de l’octet comme unité adressable et d’instructions sur format de 4 ou 8 octets.

Dans tous les cas de figure, l'octet reste adressable, ce qui simplifie l'écriture des programmes.

Les techniques utilisées pour la réalisation des mémoires ont compris des relais électromécaniques, des tubes au mercure au sein desquels étaient générées des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) acoustiques, des transistors individuels, des tores de ferrite et enfin des circuits intégrés incluant des millions de transistors.

Entrées-Sorties

Les dispositifs d’entrée/sortie permettent à l’ordinateur de communiquer avec l’extérieur. Ces dispositifs sont très importants, du clavier à l’écran.

Le point (Graphie) commun entre tous les périphériques d’entrée est qu’ils convertissent l’information qu’ils récupèrent de l’extérieur en données compréhensibles par l’ordinateur. À l’inverse, les périphériques de sortie décodent l’information fournie par l’ordinateur afin de la rendre compréhensible par l’utilisateur.

Bus

Ces différentes parties sont reliées par trois bus, le bus d'adresse (Les adresses forment une notion importante en communication, elles permettent à une entité de s'adresser à une autre parmi un ensemble d'entités....), le bus de données (Un bus de données est un bus informatique dédié au transfert des données au sein de l'ordinateur.) et le bus de commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.). Un bus est un groupement d'un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de fils électriques réalisant une liaison pour transporter des informations binaires codées sur plusieurs bits.

Le bus d'adresse transporte les adresses générées par l'UCT (Unité Centrale de Traitement) pour sélectionner une case mémoire ou un registre interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à...) de l'un des blocs. Le nombre de bits véhiculés par ce bus dépend de la quantité de mémoire qui doit être adressée.

Le bus de données transporte les données échangées entre les différents éléments du système.

Le bus de contrôle transporte les différents signaux de synchronisation nécessaires au fonctionnement du système : signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des...) de lecture (RD), signal d'écriture (WR), signal de sélection (CS : Chip Select).

Architecture

La miniaturisation permet d’intégrer l’UAL et l’unité de contrôle au sein d’un même circuit intégré (Le circuit intégré (CI), aussi appelé puce électronique, est un composant électronique reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, intégrant souvent plusieurs types de composants électroniques...) connu sous le nom de microprocesseur.

Typiquement, la mémoire est située sur des circuits intégrés proches du processeur (Le processeur, ou CPU (de l'anglais Central Processing Unit, « Unité centrale de traitement »), est le composant de l'ordinateur qui exécute les programmes...), une partie de cette mémoire, la mémoire cache, pouvant être située sur le même circuit intégré que l’UAL.

L’ensemble est, sur la plupart des architectures, complété d’une horloge qui cadence le processeur. Bien sûr, on souhaite qu'elle soit le plus rapide possible, mais on ne peut pas augmenter sans limites sa vitesse (On distingue :) pour deux raisons :

  • plus l’horloge est rapide et plus le processeur dégage de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) (selon le carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même...) de la fréquence). Une trop grande température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) peut détériorer le processeur ;
  • il existe une cadence où le processeur devient instable ; il génère des erreurs qui mènent le plus souvent à un plantage (Dans le jargon informatique, un plantage désigne une interruption anormale et souvent inattendue d’un logiciel, que ce soit une simple application ou le système...).

La tendance a été à partir de 2004 de regrouper plusieurs UAL dans le même processeur, voire plusieurs processeurs dans la même puce. En effet, la miniaturisation progressive (voir Loi de Moore) le permet sans grand changement de coût. Une autre tendance, depuis 2006 chez ARM, est aux microprocesseurs sans horloge : la moitié de la dissipation thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) est en effet due aux signaux d'horloge quand le microprocesseur fonctionne ; de plus, un microprocesseur sans horloge a une consommation presque nulle quand il ne fonctionne pas : le seul signal d'horloge nécessaire est alors celui destiné au rafraîchissement des mémoires. Cet atout est important pour les modèles portables.

Le principal écart fonctionnel aujourd’hui par rapport au modèle de Von Neumann est la présence sur certaines architectures de deux antémémoires différentes : une pour les instructions et une pour les données (alors que le modèle de Von Neumann spécifiait une mémoire commune pour les deux). La raison de cet écart est que la modification par un programme de ses propres instructions est aujourd’hui considérée (sauf sur les machines hautement parallèles) comme une pratique à proscrire. Dès lors, si le contenu du cache de données doit être récrit en mémoire principale quand il est modifié, on sait que celui du cache d’instructions n’aura jamais à l’être, d’où simplification des circuits et gain de performance.

Instructions

Les instructions que l’ordinateur peut comprendre ne sont pas celles du langage humain. Le matériel sait juste exécuter un nombre limité d’instructions bien définies. Des instructions typiques comprises par un ordinateur sont « copier le contenu de la cellule 123 et le placer dans la cellule 456 », « ajouter le contenu de la cellule 321 à celui de la cellule 654 et placer le résultat dans la cellule 777 » et « si le contenu de la cellule 999 vaut 0, exécuter l’instruction à la cellule 345 ». Mais la plupart des instructions se composent de deux zones : l’une indiquant quoi faire, qu’on nomme le code opération, et l’autre indiquant où le faire, qu’on nomme opérande.

Au sein de l’ordinateur, les instructions correspondent à des codes - le code pour une copie étant par exemple 001. L’ensemble d’instructions qu’un ordinateur supporte se nomme son langage machine, langage qui est une succession de chiffres binaires, car les instructions et données qui sont comprises par le processeur (CPU) sont constituées uniquement de 0 (zéro) et de 1 (un). 0 = Le courant électrique ne passe pas. 1 = Le courant électrique passe.

En général, les programmeurs n’utilisent plus ce type de langage, mais passent par ce que l’on appelle un langage de haut niveau (Un langage de haut niveau en informatique est un langage de programmation qui permet au programmeur de s'abstraire de détails inhérents au fonctionnement de la machine, ceux-ci étant pris en compte...) qui est ensuite transformé en langage binaire par un programme spécial (interpréteur ou compilateur selon les besoins). Les programmes ainsi obtenus sont des programmes compilés compréhensibles par l'ordinateur dans son langage natif.

Certains langages de programmation (La programmation dans le domaine informatique est l'ensemble des activités qui permettent l'écriture des programmes informatiques. C'est une étape...), comme l’assembleur sont dits langages de bas niveau car les instructions qu’ils utilisent sont très proches de celles de l’ordinateur. Les programmes écrits dans ces langages sont ainsi très dépendants de la plate-forme pour laquelle ils ont été développés. Le langage C, beaucoup plus facile à relire que l’assembleur, permet donc aux programmeurs d’être plus productifs. Pour cette raison, on l’a vu de plus en plus utilisé à mesure que les coûts du matériel diminuaient et que les salaires horaires des programmeurs augmentaient.

Logiciels

Les logiciels informatiques sont de longues listes d’instructions exécutables par un ordinateur. De nombreux programmes contiennent des millions d’instructions, effectuées pour certaines de manière répétitive. De nos jours, un ordinateur personnel exécute plusieurs milliards d’instructions par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du...).

Depuis le milieu des années 1960, des ordinateurs exécutent plusieurs programmes simultanément. Cette possibilité est appelée multitâche (Un système d'exploitation est multitâche (en anglais : multi-task) s’il permet d’exécuter, de façon apparemment simultanée, plusieurs programmes informatiques. On parle...). C’est le cas de tous les ordinateurs aujourd’hui.

En réalité, chaque cœur de processeur n’exécute qu’un programme à la fois, passant d’un programme à l’autre chaque fois que nécessaire. Si la rapidité du processeur est suffisamment grande par rapport au nombre de tâches à exécuter, l’utilisateur aura l’impression d’une exécution simultanée des programmes. Les priorités associées aux différents programmes sont, en général, gérées par le système d'exploitation.

Système d’exploitation

Le système d’exploitation est le programme central qui contient les programmes de base nécessaires au bon fonctionnement des applications de l’ordinateur.

Le système d’exploitation alloue les ressources physiques de l’ordinateur (temps processeur, mémoire...) aux différents programmes en cours d’exécution. Il fournit aussi des outils aux logiciels (comme les pilotes) afin de leur faciliter l’utilisation des différents périphériques sans avoir à en connaître les détails physiques.

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