Comment fonctionne un ordinateur ?
Comme nous l'avons vu plus tôt, l'ordinateur est constitué de plusieurs sous-ensembles qui possèdent chacun une fonction particulière. Ces composants réalisent la majorité de leurs attributions grâce à des processeurs, et à d'autres composants électroniques qui participent notamment à l'alimentation électrique de ces processeurs ou à des tâches annexes comme le contrôle des rares pièces mécaniques. Dans cette partie, nous allons donner un aperçu du fonctionnement du processeur, qui est l'élément fondamental d'un ordinateur.
Les processeurs et le code binaire
Les processeurs sont des circuits logiques capables de traiter des données numériques en suivant un programme, pour présenter en sortie des résultats également numériques. Un processeur peut prendre plusieurs aspects, et ce nom générique désigne simplement un circuit logique de traitement de l'information. Il est possible de construire un processeur à partir de plusieurs composants électroniques : on peut utiliser des transistors, des relais, des lampes ou même des circuits mécaniques. Dans ce dernier cas, le courant électrique peut être remplacé par un flux d'air ou de liquide dans une canalisation. Un processeur moderne comporte environ 109 transistors (1 milliard).
Dans le cas des processeurs utilisés dans tous les systèmes informatiques modernes, les données, les programmes et les sorties sont des nombres binaires, c'est à dire qu'ils sont exprimés en base 2, alors que nous avons l'habitude de compter en base 10. Autrement dit, les deux seuls chiffres utilisés sont le 0 et le 1 (en base 10, nous utilisons les chiffres de 0 à 9), afin de pouvoir coder ces nombres sous forme d'impulsions électriques. Il est ainsi plus aisé (et plus fiable) de coder les nombres dans une grandeur physique donnée, en choisissant un seuil séparant la valeur 0 de la valeur 1, que de faire varier cette grandeur proportionnellement à ces nombres.
Les portes logiques
Les processeurs présentent des schémas de réflexion extrêmement complexes, qui peuvent toutefois se décomposer en une multitude de schémas simples. Ces derniers peuvent être mis en pratique à l'aide de portes logiques capables de réaliser des opérations logiques simples sur ces nombres binaires. Dans une porte logique, la présence ou l'absence de courant en entrée conditionne la présence ou l'absence de courant en sortie. Il s'agit donc bien d'un système binaire, qui suit une règle du tout ou rien. La présence de courant peut être appelée, selon les usages, Vrai, Oui ou encore Positif, et sera notée 1 dans les exemples qui suivent. À l'inverse, l'absence de courant peut être nommée Faux, Non, Négatif et sera notée 0 (dans certains cas, pour des raisons de facilité de construction, on permute ces deux notations).
Une porte logique est un ensemble de composants électroniques qui possède une ou plusieurs entrées et une ou plusieurs sorties. Les portes logiques sont constituées de transistors, mais elles étaient autrefois composées de relais et, plus récemment, de lampes, pour un fonctionnement identique. Chaque porte possède une fonction logique particulière. La fonction logique peut être représentée à l'aide d'une table de vérité. Par exemple, la porte de fonction NON présente en sortie le signal opposé de celui présent à l'entrée. Voici son schéma et sa table de vérité :
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Lorsque la porte possède deux entrées, la table de vérité devient un tableau à double entrée. Par exemple, la porte de fonction OU possède deux entrées et une sortie. La sortie est positive si l'une des deux entrées est positive. Voici son schéma et sa table de vérité :
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Il existe plusieurs autres portes logiques, dont nous ne développerons pas le comportement. Cependant, il est intéressant de noter que, même à cette échelle très réduite, le fonctionnement se décompose déjà en données, traitement et sortie.
Un processeur est constitué d'un assemblage de plusieurs milliers de portes logiques. Elles réalisent chacune une opération élémentaire du traitement de l'information, au sein d'un circuit responsable d'une des fonctions de ce processeur (par exemple, au sein du processeur, on trouve des additionneurs à 1 bit, qui sont chacun constitués de plusieurs portes logiques).
Un processeur simple
Il n'est évidemment pas possible de détailler ici la totalité de la construction d'un ordinateur. Nous allons néanmoins donner un bref aperçu de sa complexité, en présentant une unité arithmétique et logique (UAL) à un seul bit, ne permettant de réaliser que quatre opérations sur deux entrées A et B, sur la base d'une commande reçue par deux autres fils (en bas à gauche sur la figure).
Cette UAL inclut les circuits réalisant les quatre opérations, ainsi qu'un décodeur qui "lit" le nombre à 2 bits présent sur l'entrée Commande et aiguille le résultat souhaité vers la sortie, par l'intermédiaire de portes ET et OU. Les opérations réalisées sont A ET B, A OU B, NON B, et A + B avec retenue en entrée et en sortie.
| Entrée binaire | Equivalent décimal | Opération réalisée |
| 00 | 0 | A ET B |
| 01 | 1 | A OU B |
| 10 | 2 | NON B |
| 11 | 3 | A + B |
Cas d'un ordinateur complet
Un ordinateur complet tel que ceux utilisés par le grand public fonctionne sur le même principe que l'UAL de l'exemple précédent ; cependant, dans un processeur, l'UAL doit être accompagnée d'autres éléments tels que la mémoire ou le séquenceur d'instructions qui organisent le travail de l'UAL, lisent les programmes et stockent les résultats. Le fonctionnement à une vitesse très élevée permet à la machine de réaliser en un temps réduit un nombre colossal d'opérations élémentaires. Cela permet de donner à l'utilisateur la sensation d'un fonctionnement fluide et continu, et d'un grand nombre de comportements possibles (alors que l'ordinateur ne fait que suivre un programme écrit à l'avance).