fonctionnement de l` ordinateur

FONCTIONNEMENT DE L’ ORDINATEUR
Date : Octobre 2005
But : Quelle image de la société et de l'homme véhicule l'objet ordinateur? Comment fonctionne-t-il?
Statut du document : Assemblages simples d’extraits glanés sur Internet (ressources disponibles en fin de
chapitre) et sur quelques livres.
Pour toutes remarques : [email protected]
Quelques pionniers : Von Neumann (architecture machine), Shannon (binaire/contacteurs, théorie de
l'information), Norbert Wiener (cybernétique), Turing (machine universelle), Babbage et Ada Lovelace
(machine analytique), Vannevar Bush (memex).
Un objet porteur de sens
Le projet cybernétique
Au-delà des prouesses techniques et de l'ingéniosité du système, que nous allons
aborder par la suite, les idées qui portent le développement de l'ordinateur se retrouvent
essentiellement dans le projet cybernétique. Un projet mené presque exclusivement par des
scientifiques. Ces derniers ont joué depuis la révolution industrielle une importance de plus en
plus grande dans la transformation de la société à travers la technique. Les effets de la
cybernétique sont visibles dans l'émergence de nouveaux domaines de recherches et
d'application comme la systémique, la théorie de la communication et de l'information,
l'intelligence artificielle, la bio-informatique, la robotique, etc... Tous ces domaines en
imbriquent d'autres qui s'interpénètrent, comme l'économie, l'art, la philosophie et bien
entendu la politique. La société occidentale, et maintenant le monde, dans son ensemble ont
été transformés. Il est néanmoins important de noter le malentendu souvent volontaire qui
enveloppe ces idées pour justifier une idéologie du progrès, avec un arrière goût amer de
totalitarisme.
Pour un panorama plus détaillé de la cybernétique et de son rapport avec la société :
http://www.terminal.sgdg.org/articles/61/identitespouvoirslacroix.html
http://perso.wanadoo.fr/metasystems/Cybernetics.html
La cybernétique : Une nouvelle science
"(...) le mot cybernétique, que j'ai fait dériver du mot grec kubernetes, ou "pilote", le
même mot grec dont nous faisons en fin de compte notre mot "gouverneur". Par ailleurs, j'ai
trouvé par la suite que ce mot avait été déjà employé par Ampère en référence à la science
politique, et qu'il avait été introduit dans un autre contexte par un savant polonais, cet
emploi, dans les deux cas, datant des premières années du XIXe siècle."(extrait de la
traduction francaise "cybernétique et société" de Norbert Wiener, 1948)(2)
"La cybernétique est une science du contrôle des systèmes, vivants ou non-vivants,
fondée en 1948 par le mathématicien américain Norbert Wiener. Notre monde est
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intégralement constitué de systèmes, vivants ou non-vivants, imbriqués et en interaction.
Peuvent ainsi être considérés comme des "systèmes": une société, une économie, un réseau
d'ordinateurs, une machine, une entreprise, une cellule, un organisme, un cerveau, un
individu, un écosystème…" (1)
Une représentation informationnelle de l'Homme
Le but est de construire une réplique de l'homme via son cerveau et uniquement son
cerveau. C’est une approche de l'homme sous l'angle presque exclusif de son intelligence,
définie comme capacité à traiter et échanger de l'information, c’est-à-dire calculer et
communiquer. Le calcul va ainsi se substituer progressivement à la perception humaine. To
compute, "calculer", et son dérivé computer, ou "calculateur" sera d'ailleurs le terme anglais
choisi pour désigner cette machine.
La cybernétique, c'est aussi une réflexion sur la société. Elle propose une
représentation de l'Homme purement social, sans organes, vivant sans conflits dans une
société autorégulé. C’est une position profondément égalitaire, une fusion de disciplines qui
va à l’encontre de toutes les hiérarchies.
"L'utopie de la communication : le mythe du village planétaire », Philippe Breton, Paris, La découverte, 1997.
"A l'image de l'homme ; du golem au créatures virtuelles", Philippe Breton, éd. du Seuil, novembre 1995.
Malgré cela, l'usage travesti de ces idées a aussi permis l'apparition d'un nouveau type
de guerre que l'on aime appeler la guerre "propre" pour se distinguer de façon illusoire de
guerres plus primitives, où le contact humain était obligatoire. Ce type de guerre est à la fois
une guerre à distance (missiles téléguidés, avions, ...) et une guerre de l"information et du
renseignement (satellites, surveillance, cryptage, reconnaissance, médias, ...).
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L' Homme transparent
Dresde, Deutsches Hygiene-Museum, 1911
Modèle numérique / modèle analogique
Pour créer une machine qui tend vers une forme d'intelligence, Alan Turing et John
Von Neumann (tout deux pionniers de l'informatique) l'imaginent comme un enfant qui
apprendrait, donc dans le langage cybernétique, qui stockerait de l'information. Turing pense
même que le siège du raisonnement se situe dans la mémoire.
Pour stocker ces informations, ils perfectionnent le modèle numérique, qui prendrait
son origine du boulier chinois et par la suite, de la recherche d'un certain nombre de
mathématiciens ou scientifiques géniaux tout au long de l'histoire (voir le fichier
"HistoriqueOrdinateur.doc" pour avoir plus de renseignements). On peut distinguer le modèle
numérique du modèle analogique de la façon suivante :
- le modèle analogique transforme une énergie en une autre, en
sympathie et en continu.
- le modèle numérique transforme une énergie en une suite discontinue
(ou discrète) d'états "tout ou rien".
Par exemple dans le domaine de l'enregistrement sonore, le numérique permet
d'enregistrer et de dupliquer sans fin les informations, sans y ajouter de "bruits" (terminologie
adoptée dans la théorie de l'information), contrairement à un enregistrement analogique.
Codage et perception
Turing et Neumann s’appuient sur une croyance : le cerveau fonctionnerait sur un
mode discret, par "changements d'états successifs". Neumann est persuadé que les tubes à
vide peuvent constituer un strict équivalent aux neurones humains. La perception peut,
effectivement, être considérée comme une transformation d'évènements continus en
évènements discontinus. Par exemple, en deçà du seuil d'audition, en dessous de 20 Hz, dans
le domaine des infrasons, l'oreille cesse de percevoir une vibration continue, pour la
remplacer par une série de pulsations discrètes.
Les sensations ne sont pourtant pas linéaires et toutes égales, on dit qu'elles sont liées
aux phénomènes physiques par des lois logarithmiques. Toute perception est relative, elle
dépend de l'âge, de l'expérience, de l'attention, et de bien d'autres paramètres. Il est commun
de dire par exemple que la sensation de temps est élastique. Emile Leipp précise, à propos de
l'audition, que "contrairement à ce qui est encore soutenu couramment, et l'expérience le
montre bien, le système auditif humain n'est pas un système d'analyse spectrographique et de
mesure. Aucun auditeur au monde n'est capable de dire : "tel son à 972 Hz, 87 dB, 35
harmoniques, ce son dure 98 ms, etc..."" Notre intelligence ne fonctionne pas comme un
mécanisme infaillible et objectif. Turing l’avait compris : "Si une machine n'a pas le droit à
l'erreur, on ne peut attendre d'elle qu'elle soit intelligente".
"L'utopie de la communication : le mythe du village planétaire », Philippe Breton, Paris, La découverte, 1997.
"A l'image de l'homme ; du golem au créatures virtuelles", Philippe Breton, éd. du Seuil, novembre 1995.
« Acoustique et musique » , Emile Leipp, 1989, éd. Masson.
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La sensation de continuité de notre perception ne serait qu'une illusion, comme
l'illusion du mouvement au cinéma, le modèle discret serait dans la structure même de
l'univers ! Comme le décrit Albert Jacquart : "La physique quantique, développée à partir
d'une hypothèse proposée par Max Planck en 1900, a pris en compte le caractère « granulaire
» de la plupart des caractéristiques décrivant le monde réel. La longueur, la masse, et même la
durée ne peuvent être non seulement mesurées mais définies en dessous d'un certain seuil :
compte tenu de la nature même de notre univers, aucune longueur plus petite que 1,6.10-33
cm, aucune masse inférieure à 2,2.10-5 grammes, aucune durée moindre que 5. 10-44
secondes ne peut avoir d'existence. Il ne s'agit pas d'une limite technique provisoire que des
progrès dans la précision de nos instruments permettraient de repousser, il s'agit de la
structure même de la réalité du monde où nous vivons." (Albert Jacquart, la Science à l'usage
des non scientifiques, p148)
La clé : Boole - binaire - interrupteurs
L'idée géniale est énoncée par Claude Shannon entre 1937 et 1938, dans la thèse qu'il
présenta au M.I.T (Massachusetts Institute of Technology) de Boston. Il y démontra comment
l'algèbre de Boole pourrait être utilisé dans l'analyse et la synthèse de relais
électromagnétiques (interrupteurs) (3). Il démontre qu'à l'aide de "contacteurs" fermés pour
"vrai" et ouverts pour "faux" on peut effectuer des opérations logiques en associant le nombre
"1" pour "vrai" et "0" pour "faux" (4). Il définit le chiffre binaire ou bit, abréviation de BInary
digiT, autrement dit "compter avec deux chiffres" pour nommer la plus petite unité
manipulable, le 0 ou le 1.
Ainsi, il combine les découvertes de Boole, les nombres binaires et les circuits
électriques. Il crée un pont entre deux mondes, entre le raisonnement humain à travers
la logique booléenne, et la matière physique à travers la manipulation d'interrupteurs
électriques puis électroniques.
Pourquoi avoir choisi la base 2 ?
* La base 2 présente l'avantage d'être aisément transcrite physiquement. Il suffit en
effet d'un seul composant qui joue le rôle d'interrupteur pour pouvoir l'utiliser. Cette
simplification permet un coût matériel et énergétique minimal. Par contre, il faut la compenser
avec un nombre important de composants.
Par exemple, un des premiers ordinateurs, l' ENIAC en 1946 était composé de 19000
tubes à vides remplissant le rôle d'interrupteurs. Etant donné la dimension de ces tubes, la
machine présente des caractéristiques impressionnantes : 42 armoires de 3m de haut, 80m² au
sol, 30 tonnes !
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Huit lampes (ou tubes à vide) représentant chacune 1 bit (4)
Ainsi le composant principal, la plus petite unité manipulable physiquement par le
calculateur devient un enjeu important de recherche. A ces lampes succèderont au cours des
années 1950, les fameux transistors, ouvrant la voie à la miniaturisation des processeurs, à
leur capacité de calcul, et à la rapidité des opérations.
* Un autre avantage de la base 2 est, comme l'a démontré Shannon, que l'on peut la
lier aisément à l'algèbre de Boole, aux fonctions logiques. L'algèbre de Boole se base
essentiellement sur des propositions simples qui sont vérifiées ou non. On dit qu'elles sont
vraies ou fausses. Il est alors possible en attribuant à "vrai" le chiffre binaire 1 et à "faux le
chiffre 0, d'utiliser toutes les propositions et organisations possibles de l'algèbre de Boole.
Avec cette technique, les calculs sont considérablement simplifiés. Trois opérations de base
(appelées portes logiques) AND, OR, NOT suffisent pour effectuer n'importe quelles
opérations: additionner, soustraire, multiplier, diviser et comparer des nombres.
En effet, toute opération peut être décomposée par l'opération la plus simple :
l'addition. Dans l'ordinateur toutes les opérations sont faîtes à partir de celle-ci, le calcul étant
très rapide, on a l'illusion d'opérations plus complexes. Pour soustraire on ajoute un nombre
négatif et pour diviser 42 par 7, l'ordinateur soustrait 7 de 42 (il additionne le négatif de 7 à 42
jusqu'à obtenir 0 et il compte le nombre de soustraction = 6). Nous verrons plus en détail le
fonctionnement de la logique booléenne dans une prochaine rubrique.
Le processeur
Le processeur est considéré comme le "cerveau" de l'ordinateur, c'est lui qui effectue
tous les calculs. Par le biais de ces calculs, il exécute toutes les instructions écrites dans les
programmes. Les instructions sont placées en mémoire centrale suivant différents niveaux,
plus ou moins proches du processeur. Il lit les instructions en mémoire centrale et la copie
dans un registre ensuite il exécute les instructions, et ainsi de suite jusqu’à la dernière. Le
premier microprocesseur (Intel 4004) a été inventé en 1971. Il s'agissait d'une unité de calcul
de 4 bits, cadencé à 108 kHz.
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