Architecture de l’ordinateur
Architecture de l’ordinateur
Objectifs cantonaux : O3.1. Semaine dédoublée (×2, groupes A/B séparés).
Cours complet sur la plateforme Runestone de Cédric Donner : Composants de base de l’ordinateur.
On change de niveau d’observation : après avoir codé des programmes et des données, on regarde maintenant ce qui exécute réellement ces programmes — les composants matériels de l’ordinateur et la manière dont ils s’articulent entre eux.
Qu’est-ce qu’un ordinateur ?
Un smartphone, une console de jeu, une montre connectée ou un ordinateur portable ont des formes très différentes, mais ils fonctionnent tous selon les mêmes principes de base : ce sont tous des ordinateurs, au sens où ils exécutent des programmes en traitant des données.
▷ Définition — Ordinateur
Un ordinateur est un ensemble de composants matériels qui coopèrent pour exécuter des programmes : traiter des données en entrée, effectuer des calculs, et produire des résultats en sortie.
L’architecture de Von Neumann
▷ Définition — Architecture de Von Neumann
La plupart des ordinateurs modernes suivent encore aujourd’hui les principes de l’architecture de Von Neumann (1945) : une même mémoire (la RAM) sert à la fois à stocker les instructions du programme en cours d’exécution et les données que ce programme traite. Le processeur va lire tour à tour dans cette mémoire des instructions à exécuter et des données à manipuler.
Trois composants forment le cœur de cette architecture :
▷ Les trois composants essentiels
- Mémoire vive (RAM)
- Stocke les instructions du programme en cours d’exécution ainsi que les données sur lesquelles il travaille. Très rapide, mais volatile : son contenu disparaît dès que l’ordinateur est mis hors tension.
- Unité de contrôle
- Fait partie du processeur. Va chercher en mémoire l’instruction suivante à exécuter, la décode (comprend ce qu’elle demande), puis planifie son exécution. Elle sait toujours « où on en est » grâce à un registre appelé program counter.
- Unité arithmétique et logique (UAL, ou ALU en anglais)
-
Fait elle aussi partie du processeur. Effectue réellement les calculs (additions, comparaisons, …) et les opérations logiques (
ET,OU,NON) demandés par les instructions.
Le processeur (CPU)
▷ Rôle du CPU
Le CPU (Central Processing Unit, processeur) est souvent comparé au « cerveau » de l’ordinateur. Il est responsable de :
- l’exécution des instructions des programmes ;
- les calculs et les décisions (opérations arithmétiques et logiques) ;
- la coordination de la mémoire et des périphériques.
Analogie utile : si l’on compare l’exécution d’un programme à la préparation d’un plat de cuisine, le CPU est le cuisinier qui suit la recette (les instructions), pas la recette elle-même.
! Un ordre de grandeur
Un ordinateur de bureau moderne exécute environ un milliard d’instructions élémentaires par seconde (additions, comparaisons de nombres entiers, …). Des opérations plus complexes (un sinus, par exemple) nécessitent d’enchaîner un grand nombre de ces instructions élémentaires, et prennent donc plus de temps.
Un processeur moderne contient plusieurs milliards de transistors et constitue l’une des pièces les plus complexes jamais conçues par l’être humain — au point que sa conception s’appuie elle-même largement sur des outils d’intelligence artificielle.
La mémoire vive (RAM)
▷ Caractéristiques de la RAM
- Stocke les programmes en cours d’exécution et les données qu’ils traitent (nombres, textes, images, …), sous forme de mots binaires de 8, 16, 32 ou 64 bits.
- Temps d’accès de l’ordre de la nanoseconde — extrêmement rapide.
- Capacité relativement faible : couramment 8 à 32 Go sur un ordinateur grand public.
- Coût élevé au gigaoctet (plusieurs francs, contre quelques centimes pour un support de stockage de masse — voir la semaine prochaine).
! Attention à ne pas confondre
Vos documents (photos, devoirs, …) ne sont pas stockés dans la RAM, mais sur le disque dur ou le SSD. La RAM ne contient que ce qui est activement utilisé au moment présent ; elle est effacée à chaque extinction de l’ordinateur.
La carte mère
▷ Rôle de la carte mère
La carte mère relie physiquement et électriquement tous les composants de l’ordinateur entre eux. On peut la comparer, chez l’être humain, au squelette (elle maintient tout en place) et au système nerveux (elle permet aux composants de communiquer). Elle contient notamment :
- l’horloge, qui cadence l’ensemble du système ;
- le BIOS/UEFI (firmware), un logiciel figé qui vérifie le matériel au démarrage et lance le système d’exploitation ;
- le chipset, qui relaie les communications entre le processeur et les périphériques connectés.
Vue d’ensemble : composants essentiels et périphériques
▷ Composants essentiels vs périphériques
Composants essentiels — indispensables au fonctionnement de base : CPU (processeur), RAM (mémoire vive), carte mère.
Périphériques — ajoutent des fonctionnalités, sans être indispensables au strict fonctionnement de l’ordinateur : souris, clavier, écran, imprimante, scanner, carte graphique (GPU), disque de stockage externe, …
La semaine prochaine sera consacrée en détail aux périphériques d’entrée et de sortie.
Lien avec le TP « Connaître son ordinateur »
Ces notions théoriques prennent tout leur sens lors du TP où vous observez, via Python (modules platform, psutil ou équivalent), les composants réels de votre propre ordinateur : nom et fréquence du processeur, quantité de RAM installée, espace disque disponible, système d’exploitation utilisé, … Retrouver dans la pratique les notions vues en théorie aide à les fixer durablement.