Partie 1 : Le modèle de Von Neumann
1. Du transistor au processeur
Section intitulée « 1. Du transistor au processeur »1.1 Le transistor
Section intitulée « 1.1 Le transistor »Le transistor est le composant électronique fondamental de tout ordinateur. Inventé en 1947 par John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain (Bell Labs), il fonctionne comme un interrupteur ultra-rapide qui peut être dans deux états :
| État | Signification | Valeur binaire |
|---|---|---|
| Passant (laisse passer le courant) | Vrai | 1 |
| Bloqué (ne laisse pas passer le courant) | Faux | 0 |
Avant le transistor, les premiers ordinateurs (comme le Colossus en 1943) utilisaient des tubes à vide, beaucoup plus gros, moins fiables et très énergivores.
1.2 Du transistor au circuit intégré
Section intitulée « 1.2 Du transistor au circuit intégré »Les transistors sont aujourd'hui regroupés par milliards sur des circuits intégrés (puces de silicium). Un processeur moderne contient plus de 10 milliards de transistors sur une surface de quelques centimètres carrés.
| Année | Processeur | Nombre de transistors |
|---|---|---|
| 1971 | Intel 4004 | 2 300 |
| 1989 | Intel 486 | 1 200 000 |
| 2006 | Intel Core 2 | 291 000 000 |
| 2020 | Apple M1 | 16 000 000 000 |
Cette évolution exponentielle est décrite par la loi de Moore (1965) : le nombre de transistors dans un circuit intégré double environ tous les deux ans.
2. Le modèle de Von Neumann
Section intitulée « 2. Le modèle de Von Neumann »2.1 Origine
Section intitulée « 2.1 Origine »En 1945, le mathématicien John von Neumann propose un modèle d'architecture pour les ordinateurs. Ce modèle, utilisé dans la quasi-totalité des ordinateurs actuels, repose sur une idée fondamentale : le programme est stocké en mémoire, au même titre que les données.
2.2 Les quatre composants
Section intitulée « 2.2 Les quatre composants »Le modèle de Von Neumann est constitué de quatre éléments principaux :
┌─────────────────────────────────┐ │ PROCESSEUR (CPU) │ │ │ │ ┌──────────┐ ┌──────────────┐ │ │ │ Unité │ │ Unité │ │ │ │ de │ │ arithmétique │ │ │ │ commande │ │ et logique │ │ │ │ (UC) │ │ (UAL) │ │ │ └──────────┘ └──────────────┘ │ │ Registres (IP, IR, R0...) │ └───────────┬─────────────────────┘ │ Bus (adresse, données, contrôle) ┌───────────┴─────────────────────┐ │ MÉMOIRE (RAM) │ │ Programme + Données │ └───────────┬─────────────────────┘ │ ┌───────────┴─────────────────────┐ │ ENTRÉES / SORTIES │ │ Clavier, souris, écran, etc. │ └─────────────────────────────────┘Le processeur (CPU)
Section intitulée « Le processeur (CPU) »Le processeur (Central Processing Unit) est le « cerveau » de l'ordinateur. Il se compose de :
- L'unité arithmétique et logique (UAL) : effectue les calculs (addition, soustraction, comparaison...) et les opérations logiques (ET, OU, NON).
- L'unité de commande (UC) : lit les instructions en mémoire, les décode et coordonne leur exécution.
- Les registres : petites mémoires ultra-rapides intégrées au processeur.
La mémoire vive (RAM)
Section intitulée « La mémoire vive (RAM) »La mémoire vive (Random Access Memory) stocke temporairement le programme en cours d'exécution et ses données. Chaque cellule mémoire possède une adresse unique.
Caractéristiques :
- Accès direct : on peut lire n'importe quelle cellule sans parcourir les précédentes
- Volatile : le contenu est perdu à l'extinction de l'ordinateur
- Rapide : temps d'accès de l'ordre de la nanoseconde
Les entrées/sorties
Section intitulée « Les entrées/sorties »Les périphériques d'entrée (clavier, souris, capteurs...) permettent à l'utilisateur d'envoyer des informations à l'ordinateur. Les périphériques de sortie (écran, imprimante, haut-parleurs...) affichent ou transmettent les résultats.
2.3 Les bus
Section intitulée « 2.3 Les bus »Les bus sont des fils électriques qui relient les composants entre eux. Il existe trois types de bus :
| Bus | Rôle |
|---|---|
| Bus d'adresse | Transporte l'adresse mémoire à lire ou écrire |
| Bus de données | Transporte les données (instructions ou valeurs) |
| Bus de contrôle | Indique le type d'opération (lecture, écriture) |
La largeur du bus (nombre de fils) détermine les capacités de l'ordinateur :
- Bus d'adresse à 32 bits → peut adresser 2³² = 4 Go de mémoire
- Bus de données à 64 bits → peut transférer 64 bits en une seule opération
3. Les registres du processeur
Section intitulée « 3. Les registres du processeur »Les registres sont des mémoires minuscules (quelques octets) mais extrêmement rapides, directement intégrées au processeur.
| Registre | Nom complet | Rôle |
|---|---|---|
| IP | Instruction Pointer | Contient l'adresse de la prochaine instruction à exécuter |
| IR | Instruction Register | Contient l'instruction en cours de décodage |
| R0, R1, R2... | Registres généraux | Stockent temporairement les données en cours de traitement |
4. Le cycle d'exécution d'une instruction
Section intitulée « 4. Le cycle d'exécution d'une instruction »Le processeur exécute les instructions une par une selon un cycle répétitif en trois étapes :
1. Chargement (fetch) : le processeur lit en mémoire l'instruction située à l'adresse contenue dans IP et la place dans IR. IP est incrémenté pour pointer vers l'instruction suivante.
2. Décodage (decode) : l'unité de commande analyse l'instruction contenue dans IR pour déterminer l'opération à effectuer et les données concernées.
3. Exécution (execute) : l'UAL effectue l'opération demandée (calcul, transfert de données, saut...).
┌──────────┐ │ Chargement│◄───── Lire l'instruction à l'adresse IP └─────┬─────┘ Placer dans IR, incrémenter IP │ ┌─────▼─────┐ │ Décodage │◄───── Analyser l'instruction dans IR └─────┬─────┘ │ ┌─────▼─────┐ │ Exécution │◄───── Effectuer l'opération (UAL) └─────┬─────┘ │ └──────────► Retour au chargementCe cycle est cadencé par une horloge dont la fréquence est exprimée en GHz (milliards de cycles par seconde). Un processeur à 3 GHz exécute 3 milliards de cycles d'horloge par seconde.
5. Mémoire vive et stockage
Section intitulée « 5. Mémoire vive et stockage »5.1 La hiérarchie des mémoires
Section intitulée « 5.1 La hiérarchie des mémoires »Les mémoires d'un ordinateur sont organisées en une hiérarchie selon leur vitesse et leur capacité :
| Mémoire | Vitesse | Capacité | Volatile ? |
|---|---|---|---|
| Registres | Ultra-rapide | Quelques octets | Oui |
| Mémoire cache (L1, L2, L3) | Très rapide | Ko à Mo | Oui |
| Mémoire vive (RAM) | Rapide | Go | Oui |
| SSD | Moyen | Go à To | Non |
| Disque dur (HDD) | Lent | To | Non |
Plus une mémoire est rapide, plus elle est petite et coûteuse.
5.2 Mémoire volatile vs non volatile
Section intitulée « 5.2 Mémoire volatile vs non volatile »- Mémoire volatile (RAM, registres, cache) : le contenu est perdu à l'extinction. Sert pour le traitement en temps réel.
- Mémoire non volatile (SSD, HDD, clé USB) : le contenu est conservé après l'extinction. Sert pour le stockage permanent.
À retenir
Section intitulée « À retenir »- Le modèle de Von Neumann (1945) décrit l'architecture de la quasi-totalité des ordinateurs.
- L'idée clé : le programme est stocké en mémoire au même titre que les données.
- Les quatre composants : processeur (UAL + UC + registres), mémoire (RAM), entrées/sorties, bus.
- Le processeur exécute un cycle chargement → décodage → exécution cadencé par une horloge.
- Les registres (IP, IR, R0...) sont les mémoires les plus rapides, intégrées au processeur.
- Les bus (adresse, données, contrôle) relient les composants entre eux.
- La hiérarchie des mémoires : registres (rapide, petit) → cache → RAM → SSD → HDD (lent, grand).
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