Un ordinateur numérique est conçu pour traiter des données sous forme numérique (voir circuit numérique) ; ses circuits effectuent directement les opérations mathématiques d’addition, de soustraction, de multiplication et de division. Les nombres traités par un ordinateur numérique sont exprimés dans le système binaire ; les chiffres binaires, ou bits, sont 0 et 1, de sorte que 0, 1, 10, 11, 100, 101, etc. correspondent à 0, 1, 2, 3, 4, 5, etc. Les chiffres binaires sont facilement exprimés dans les circuits de l’ordinateur par la présence (1) ou l’absence (0) d’un courant ou d’une tension. Une série de huit bits consécutifs est appelée un octet ; l’octet de huit bits permet 256 combinaisons marche-arrêt différentes. Chaque octet peut donc représenter jusqu’à 256 caractères alphanumériques, et une telle disposition est appelée jeu de caractères à un octet (SBCS) ; la norme de fait pour cette représentation est le jeu de caractères ASCII étendu. Certaines langues, comme le japonais, le chinois et le coréen, nécessitent plus de 256 symboles uniques. L’utilisation de deux octets, ou 16 bits, pour chaque symbole, permet toutefois de représenter jusqu’à 65 536 caractères ou idéogrammes. Une telle disposition est appelée jeu de caractères à double octet (DBCS) ; Unicode est la norme internationale pour un tel jeu de caractères. Un ou plusieurs octets, selon l’architecture de l’ordinateur, est parfois appelé mot numérique ; il peut spécifier non seulement la magnitude du nombre en question, mais aussi son signe (positif ou négatif), et peut également contenir des bits redondants qui permettent la détection automatique, et dans certains cas la correction, de certaines erreurs (voir code ; théorie de l’information). Un ordinateur numérique peut stocker les résultats de ses calculs pour une utilisation ultérieure, peut comparer les résultats avec d’autres données et, sur la base de ces comparaisons, peut modifier la série d’opérations qu’il effectue. Les ordinateurs numériques sont maintenant utilisés pour un large éventail d’objectifs personnels, commerciaux, scientifiques et gouvernementaux, depuis les jeux électroniques, le courrier électronique, les réseaux sociaux et les applications de traitement de données et de texte jusqu’à la publication assistée par ordinateur, la vidéoconférence, les prévisions météorologiques, la simulation d’essais d’armes nucléaires, la cryptographie et de nombreux autres objectifs.
Les opérations d’un ordinateur numérique sont effectuées par des circuits logiques, qui sont des circuits numériques dont la sortie unique est déterminée par les conditions des entrées, généralement deux ou plus. Les divers circuits qui traitent les données à l’intérieur de l’ordinateur doivent fonctionner de manière hautement synchronisée ; on y parvient en les contrôlant à l’aide d’un oscillateur très stable, qui sert d’horloge à l’ordinateur. Les fréquences d’horloge typiques des ordinateurs personnels vont maintenant de plusieurs centaines de millions de cycles par seconde à plusieurs milliards. À ces vitesses, les circuits des ordinateurs numériques sont capables d’effectuer des centaines de milliards d’opérations arithmétiques ou logiques par seconde, mais les superordinateurs sont capables d’effectuer des opérations plus d’un million de fois plus rapides ; de telles vitesses permettent de résoudre rapidement des problèmes qu’il serait impossible à un humain de résoudre à la main. Outre les circuits arithmétiques et logiques et un certain nombre de registres (emplacements de stockage auxquels on peut accéder plus rapidement que le stockage principal, ou mémoire, et qui sont utilisés pour conserver les résultats intermédiaires des calculs), le cœur de l’ordinateur, appelé unité centrale de traitement, ou CPU, contient les circuits qui décodent les données de l’ordinateur.contient les circuits qui décodent le jeu d’instructions, ou programme, et en provoquent l’exécution.
Associé à l’unité centrale, se trouve le stockage principal, ou mémoire, où les résultats ou autres données sont stockés pendant des périodes allant d’une petite fraction de seconde à des jours ou des semaines avant d’être récupérés pour un traitement ultérieur. Autrefois constituée de tubes à vide, puis de petits noyaux ferromagnétiques en forme de beignets enfilés sur une matrice de fils, la mémoire principale est aujourd’hui constituée de circuits intégrés, dont chacun peut contenir des milliards de dispositifs semi-conducteurs. Alors que chaque tube à vide ou noyau représentait un bit et que la mémoire totale de l’ordinateur se mesurait en milliers d’octets (ou kilooctets, Ko), les puces de mémoire des ordinateurs modernes représentent des centaines de millions d’octets (ou mégaoctets, Mo) et la mémoire totale des ordinateurs personnels et centraux se mesure en milliards d’octets (gigaoctets, Go) ou plus. La mémoire morte (ROM), dans laquelle on ne peut pas écrire, conserve son contenu à tout moment et est utilisée pour stocker les informations de contrôle de l’ordinateur. La mémoire vive (RAM), qui peut être lue et écrite, est perdue chaque fois que l’ordinateur est éteint. Les ordinateurs modernes comprennent maintenant une mémoire cache, à laquelle le CPU peut accéder plus rapidement que la RAM mais plus lentement que les registres ; les données de la mémoire cache sont également perdues lorsque l’ordinateur est éteint.
Les programmes et les données qui ne sont pas actuellement utilisés dans le stockage principal peuvent être sauvegardés sur un stockage auxiliaire ou secondaire. Bien que les bandes de papier perforé et les cartes perforées aient autrefois servi à cette fin, les principaux matériaux utilisés aujourd’hui sont les bandes et les disques magnétiques et les dispositifs de mémoire flash, qui peuvent tous être lus et sur lesquels on peut écrire, ainsi que deux types de disques optiques, le disque compact (CD) et son successeur le disque numérique polyvalent (DVD). Comparées à la mémoire vive, ces mémoires sont moins coûteuses (bien que la mémoire flash soit plus chère que les deux autres), ne sont pas volatiles (c’est-à-dire que les données ne sont pas perdues lorsque l’ordinateur est mis hors tension) et peuvent constituer un moyen pratique de transférer des données d’un ordinateur à un autre. Ainsi, les instructions d’exploitation ou les données sorties d’un ordinateur peuvent être stockées et être utilisées ultérieurement soit par le même ordinateur, soit par un autre.
Dans un système utilisant une bande magnétique, les informations sont stockées par un magnétophone spécialement conçu, quelque peu similaire à celui utilisé pour l’enregistrement du son. Les bandes magnétiques sont aujourd’hui largement utilisées pour le stockage hors site de gros volumes de données ou pour les sauvegardes de systèmes importants. Dans les systèmes de disques magnétiques et optiques, le principe est le même : le support magnétique ou optique se trouve dans un chemin, ou piste, sur la surface d’un disque. Le lecteur de disque contient également un moteur pour faire tourner le disque et une ou plusieurs têtes magnétiques ou optiques pour lire et écrire les données sur le disque. Les lecteurs peuvent prendre plusieurs formes, la différence la plus importante étant que le disque peut être retiré de l’assemblage du lecteur. Les dispositifs à mémoire flash, tels que les clés USB, les cartes mémoire flash et les lecteurs à semi-conducteurs, utilisent une mémoire non volatile qui peut être effacée et reprogrammée par blocs.
Les disques magnétiques amovibles en mylar enfermés dans un support en plastique (les anciennes versions avaient des supports en papier) sont maintenant largement dépassés. Ces disquettes ont des capacités variables, les disques à très haute densité contenant 250 Mo… plus qu’assez pour contenir une douzaine de livres de la taille d’Anna Karénine de Tolstoï. Les disques durs magnétiques internes et externes, ou disques durs, sont fabriqués en métal et disposés en couches espacées. Ils peuvent contenir beaucoup plus de données que les disquettes ou les disques optiques, et peuvent lire et écrire des données beaucoup plus rapidement que les disquettes. Comme les disques durs ont baissé de prix, ils sont devenus de plus en plus inclus comme composant des ordinateurs personnels et ont remplacé les disquettes comme support standard pour le stockage des systèmes d’exploitation, des programmes et des données.
Les disques compacts peuvent contenir des centaines de mégaoctets, et ont été utilisés, par exemple, pour stocker les informations contenues dans une encyclopédie entière en multivolumes ou un ensemble d’ouvrages de référence. Le DVD est une technologie de stockage optique améliorée, capable de stocker jusqu’à dix fois les données que la technologie CD peut stocker. Les disques CD?Read-Only Memory (CD-ROM) et DVD?Read-Only Memory (DVD-ROM) ne peuvent être que lus ? les disques sont imprégnés de données à l’usine mais une fois écrits, ils ne peuvent être effacés et réécrits avec de nouvelles données. La dernière partie des années 1990 a vu l’introduction de nouvelles technologies de stockage optique : CD-Recordable (CD-R) et DVD-Recordable (DVD-R, DVD+R), des disques optiques sur lesquels l’ordinateur peut écrire pour créer un CD-ROM ou un DVD-ROM, mais sur lesquels on ne peut écrire qu’une seule fois ; et CD-ReWritable (CD-RW), DVD-ReWritable (DVD-RW et DVD+RW) et DVD ?Random Access Memory (DVD-RAM), disques sur lesquels on peut écrire plusieurs fois.
Les dispositifs de mémoire flash, un développement encore plus récent, sont une excroissance de la mémoire morte programmable effaçable électriquement. Bien que plus coûteuse que les technologies de stockage magnétique et optique, la mémoire flash peut être lue et écrite beaucoup plus rapidement, ce qui permet des temps de démarrage plus courts et un accès et un stockage des données plus rapides. Comme la mémoire flash est également résistante aux chocs mécaniques et qu’elle est devenue de plus en plus compacte, une clé USB permet le stockage externe facile et portable de grandes quantités de données. Les lecteurs à semi-conducteurs sont plus faciles d’accès et d’écriture que les disques durs magnétiques et consomment moins d’énergie. Ils sont devenus courants dans les ordinateurs portables légers haut de gamme et dans les ordinateurs haute performance. La mémoire flash est également utilisée dans les tablettes informatiques et les smartphones. Les disques hybrides, qui combinent une plus petite quantité de mémoire flash avec un grand disque dur magnétique, permettent le stockage économique de grandes quantités de données tout en bénéficiant d’un accès plus réactif aux fichiers du système d’exploitation et des programmes fréquemment utilisés mais qui ne sont modifiés qu’occasionnellement.
Les données sont entrées dans l’ordinateur et les données traitées sont mises à disposition via des périphériques d’entrée/sortie, également appelés périphériques. Tous les périphériques de stockage auxiliaires sont utilisés comme périphériques d’entrée/sortie. Pendant de nombreuses années, le support d’entrée/sortie le plus populaire était la carte perforée. Les périphériques d’entrée les plus courants sont le terminal d’ordinateur et les disques durs magnétiques internes, et les périphériques de sortie les plus courants sont l’écran d’ordinateur associé à un terminal (affichant généralement des données traitées par une unité de traitement graphique) et l’imprimante. Les êtres humains peuvent communiquer directement avec l’ordinateur par l’intermédiaire de terminaux informatiques, en saisissant des instructions et des données au moyen de claviers semblables à ceux des machines à écrire, en utilisant un dispositif de pointage tel qu’une souris, une boule de commande ou un pavé tactile, ou en parlant dans un microphone connecté à un ordinateur exécutant un logiciel de reconnaissance vocale. Le résultat de l’entrée peut être affiché sur un écran à cristaux liquides, à diodes électroluminescentes ou à tube cathodique, ou sur une imprimante. Un autre dispositif d’entrée/sortie important dans les ordinateurs modernes est la carte réseau, qui permet à l’ordinateur de se connecter à un réseau informatique et à l’Internet à l’aide d’une connexion câblée ou radio (sans fil). Le processeur central, le stockage principal, le stockage auxiliaire et les périphériques d’entrée/sortie constituent collectivement un système informatique.
Généralement, les opérations les plus lentes qu’un ordinateur doit effectuer sont celles du transfert de données, en particulier lorsque les données sont reçues d’un être humain ou livrées à celui-ci. Le processeur central de l’ordinateur étant inactif pendant une grande partie de cette période, deux techniques similaires permettent de mieux utiliser sa puissance.
Le partage du temps, utilisé sur les gros ordinateurs, permet à plusieurs utilisateurs sur des terminaux différents d’utiliser un seul ordinateur en même temps. L’ordinateur effectue une partie d’une tâche pour un utilisateur, puis suspend cette tâche pour effectuer une partie d’une autre pour un autre utilisateur, et ainsi de suite. Chaque utilisateur ne dispose de l’ordinateur que pendant une fraction du temps, mais le changement de tâche est si rapide que la plupart des utilisateurs n’en sont pas conscients. La plupart des dizaines de millions d’ordinateurs dans le monde sont des appareils autonomes, à utilisateur unique, connus sous le nom d’ordinateurs personnels ou de stations de travail. Pour eux, le multitâche implique le même type de commutation, mais pour un seul utilisateur. Cela permet à un utilisateur, par exemple, d’imprimer un fichier et d’en télécharger un autre sur un site Internet tout en éditant un troisième dans une session de traitement de texte et en écoutant un enregistrement diffusé sur Internet. Les ordinateurs personnels peuvent également être reliés entre eux dans un réseau, où chaque ordinateur est connecté aux autres, généralement par un câble réseau, coaxial ou en fibre optique, ou par des signaux radio (sans fil), permettant à tous de partager des ressources telles que des imprimantes, des dispositifs de stockage sur disque dur et une connexion Internet. L’informatique en nuage est une autre forme de partage des ressources. Fournissant l’accès à la fois au matériel et aux logiciels par l’intermédiaire d’un réseau, le plus souvent Internet, l’informatique en nuage est conçue pour permettre à de nombreux individus et organisations utilisant un large éventail de dispositifs à la fois la facilité d’accès aux ressources informatiques et la flexibilité dans le changement du type et du volume des ressources auxquelles ils ont accès.
Avant qu’un ordinateur puisse être utilisé dans un but donné, il doit d’abord être programmé, c’est-à-dire préparé pour être utilisé en chargeant un ensemble d’instructions, ou programme. Les divers programmes par lesquels un ordinateur contrôle certains aspects de ses opérations, comme ceux qui permettent de traduire des données d’une forme à une autre, sont appelés logiciels, par opposition au matériel, qui est l’équipement physique comprenant l’installation. Dans la plupart des ordinateurs, le contrôle momentané de la machine réside dans un programme logiciel spécial appelé système d’exploitation ou superviseur. D’autres formes de logiciels comprennent les assembleurs et les compilateurs pour les langages de programmation et les applications pour les entreprises et les particuliers (voir programme informatique). Le logiciel est d’une grande importance ; l’utilité d’un ensemble de matériel hautement sophistiqué peut être limitée par l’absence d’un logiciel adéquat.
Chaque instruction du programme peut être une étape simple et unique, indiquant à l’ordinateur d’effectuer une certaine opération arithmétique, de lire les données d’un emplacement donné dans la mémoire, de comparer deux nombres ou d’effectuer une autre action. Le programme est entré dans la mémoire de l’ordinateur exactement comme s’il s’agissait de données, et lors de l’activation, la machine reçoit l’ordre de traiter ce matériel en mémoire comme des instructions. D’autres données peuvent alors être lues et l’ordinateur peut exécuter le programme pour accomplir la tâche particulière.
Comme les ordinateurs sont conçus pour fonctionner avec des nombres binaires, toutes les données et instructions doivent être représentées sous cette forme ; le langage machine, dans lequel l’ordinateur fonctionne en interne, est constitué des différents codes binaires qui définissent les instructions ainsi que des formats dans lesquels les instructions sont écrites. Comme il est long et fastidieux pour un programmeur de travailler en langage machine, un langage de programmation, ou langage de haut niveau, conçu pour la commodité du programmeur, est utilisé pour l’écriture de la plupart des programmes. L’ordinateur est programmé pour traduire ce langage de haut niveau en langage machine, puis pour résoudre le problème initial pour lequel le programme a été écrit. De nombreux langages de programmation de haut niveau sont maintenant universels, variant peu d’une machine à l’autre.
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- Ordinateurs analogiques
- Ordinateurs numériques
- Développement des ordinateurs
- Bibliographie
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