1. Une machine complexe

Un ordinateur peut réaliser des tâches très différentes : effectuer un calcul, afficher une image, lire une vidéo, enregistrer un fichier ou exécuter un programme Python.

Pourtant, derrière ces usages, la machine est constituée de nombreux éléments qui doivent travailler ensemble.

Décrire tous les composants d’un ordinateur réel et tous leurs détails ne permettrait pas facilement de comprendre son organisation générale.

Question. Comment représenter simplement l’organisation d’un ordinateur pour comprendre son fonctionnement général ?

2. Modéliser pour comprendre

Pour étudier un système complexe, on peut utiliser un modèle.

Un modèle est une représentation simplifiée qui ne conserve que les éléments et les relations utiles à ce que l’on cherche à comprendre.

Nous n’allons donc pas chercher à représenter tous les composants physiques d’un ordinateur. Nous voulons comprendre comment ses principales parties s’organisent et coopèrent pour permettre l’exécution d’un programme.

Problème. Quel modèle peut-on utiliser pour représenter l’organisation générale d’un ordinateur ?

3. Le modèle de von Neumann

Pour étudier l’organisation générale d’un ordinateur, nous allons utiliser le modèle de von Neumann.

Proposé au milieu du XXe siècle, ce modèle permet de représenter les éléments essentiels d’un ordinateur et les échanges nécessaires à l’exécution d’un programme.

Il fait apparaître :

  • une mémoire centrale ;
  • une unité centrale de traitement ;
  • des dispositifs d’entrée et de sortie ;
  • des liaisons permettant à ces différents éléments d’échanger des informations.
Schéma général du modèle de von Neumann
Organisation générale d’un ordinateur selon le modèle de von Neumann.
Idée essentielle. Dans le modèle de von Neumann, les instructions du programme et les données sont placées dans une même mémoire.

4. La mémoire centrale

La mémoire centrale, également appelée mémoire vive ou RAM pour Random Access Memory, contient les informations nécessaires à l’exécution des programmes.

Elle contient notamment :

  • les instructions qui constituent les programmes ;
  • les données sur lesquelles portent les traitements.

Le fait de placer les instructions et les données dans une même mémoire est l’une des caractéristiques essentielles du modèle de von Neumann.

Des informations représentées par des bits

Dans l’ordinateur, les informations sont représentées sous forme binaire, à l’aide de deux valeurs : 0 et 1.

Chacune de ces valeurs constitue un bit, contraction de binary digit.

Les bits sont généralement regroupés par huit :

1 octet = 8 bits

Une mémoire organisée en emplacements ou cellules

La mémoire peut être représentée comme une succession d’emplacements (on dit aussi cellules) dans lesquels sont stockées des informations.

Pour pouvoir retrouver une information, chaque emplacement est repéré par une adresse.

Exemple d’organisation d’une mémoire centrale
Exemple simplifié d’une mémoire : les informations sont stockées dans des emplacements repérés par des adresses.
Attention. Une adresse permet de repérer une information en mémoire. Elle ne doit pas être confondue avec l’information stockée à cette adresse.

La capacité d’une mémoire

La capacité d’une mémoire correspond à la quantité totale d’informations qu’elle peut contenir.

Elle s’exprime généralement en octets et en multiples de l’octet :

  • 1 ko = 1 000 octets ;
  • 1 Mo = 1 000 000 octets ;
  • 1 Go = 1 000 000 000 octets.

Ainsi, un ordinateur équipé de 16 Go de mémoire vive dispose d’environ 16 milliards d’octets de mémoire vive.

À retenir. Une indication comme 16 Go de RAM désigne la capacité de la mémoire vive de l’ordinateur.

Une mémoire volatile

La mémoire vive est dite volatile : les informations qu’elle contient disparaissent lorsque l’ordinateur n’est plus alimenté.

5. L’unité centrale de traitement

L’unité centrale de traitement, ou processeur, est chargée d’exécuter les instructions des programmes placées en mémoire.

Elle comporte notamment :

  • une unité de commande, qui dirige l’exécution des instructions ;
  • une unité arithmétique et logique, ou UAL, qui réalise notamment les opérations arithmétiques et logiques ;
  • des registres, petites mémoires internes utilisées par l’unité de traitement.

Les registres

Les registres permettent de conserver temporairement de petites quantités d’informations directement utilisées par le processeur.

Leur capacité est très faible comparée à celle de la mémoire centrale, mais ils sont directement utilisés pendant les traitements.

Le mot

Le processeur ne manipule pas nécessairement les bits un par un. Il peut traiter comme une unité un groupe de plusieurs bits.

Un tel groupe de bits est appelé un mot.

La taille d’un mot est une caractéristique importante de l’architecture du processeur.

C’est notamment ce que l’on retrouve lorsque l’on parle d’une architecture 32 bits ou 64 bits.

Exemple. Dans une architecture 32 bits, le processeur est conçu pour manipuler naturellement des mots de 32 bits. Dans une architecture 64 bits, il peut manipuler naturellement des mots de 64 bits.

Cette taille ne doit pas être confondue avec la capacité de la mémoire vive.

Attention. 16 Go de RAM indique une quantité de mémoire disponible.

Architecture 64 bits caractérise la manière dont le processeur est conçu pour manipuler les informations. Ce sont donc deux grandeurs différentes.
Idée essentielle. L’unité centrale de traitement exécute les instructions qui sont placées dans la mémoire centrale.

6. Faire circuler les informations

La mémoire centrale, l’unité centrale de traitement et les dispositifs d’entrée-sortie doivent pouvoir échanger des informations.

Ces échanges sont assurés par des liaisons appelées bus.

Un bus est un ensemble de liaisons permettant de transporter des informations entre les différentes parties de l’ordinateur.

Les bus permettent notamment de faire circuler des données, des instructions, des adresses et des informations de commande.

7. Les entrées et les sorties

Un ordinateur ne fonctionne pas de manière isolée : il doit pouvoir recevoir des informations et produire des résultats.

Le modèle de von Neumann comporte donc des dispositifs d’entrée et de sortie.

Les périphériques permettent de réaliser ces échanges entre l’ordinateur et l’extérieur.

On peut par exemple distinguer :

  • les périphériques d’entrée, comme le clavier ou la souris ;
  • les périphériques de sortie, comme l’écran ou l’imprimante ;
  • les périphériques d’entrée-sortie, capables de recevoir et d’envoyer des informations.

8. Le modèle dans son ensemble

Le modèle de von Neumann fournit une représentation simplifiée de l’organisation d’un ordinateur.

  • la mémoire centrale contient les instructions et les données ;
  • l’unité centrale de traitement exécute les instructions ;
  • les bus permettent aux différentes parties d’échanger des informations ;
  • les dispositifs d’entrée-sortie permettent les échanges avec l’extérieur.
Schéma général de l’organisation d’un ordinateur
Les principales parties du modèle de von Neumann coopèrent pour permettre l’exécution d’un programme.
À retenir. L’une des idées fondamentales du modèle de von Neumann est celle du programme enregistré : les instructions d’un programme sont stockées dans la même mémoire que les données qu’il manipule.

9. Vérifier sa compréhension

  1. Pourquoi utilise-t-on un modèle pour étudier l’organisation d’un ordinateur ?
  2. Quels sont les principaux éléments du modèle de von Neumann ?
  3. Quelle est la particularité de la mémoire dans le modèle de von Neumann ?
  4. Quelles sont les deux catégories d’informations placées dans la mémoire centrale ?
  5. Qu’appelle-t-on la capacité d’une mémoire ?
  6. Quelle différence existe-t-il entre l’adresse d’un emplacement mémoire et son contenu ?
  7. Quels sont les rôles de l’unité de commande et de l’unité arithmétique et logique ?
  8. Qu’appelle-t-on un mot pour un processeur ?
  9. Que signifie l’expression architecture 64 bits ?
  10. Quelle différence existe-t-il entre 16 Go de RAM et une architecture 64 bits ?
  11. Quel est le rôle des bus ?
  12. À quoi servent les dispositifs d’entrée-sortie ?

10. Pour aller plus loin

Nous savons maintenant qu’un programme est placé en mémoire sous forme d’instructions et que l’unité centrale de traitement est chargée de les exécuter.

Une nouvelle question se pose :

Comment le processeur sait-il quelle instruction exécuter, et comment l’exécute-t-il ?

C’est ce que nous étudierons dans la prochaine leçon.

Leçon suivante : comment le processeur exécute-t-il un programme ?