De l`engrenage au microprocesseur

Introduction à l'architecture des ordinateurs. page 1
Introduction à l’informatique industrielle JP Couillault - Lycée Polyvalent de SENS
De l'engrenage au microprocesseur...
Calcul mécanique : Les calculateurs mécaniques sont faits d'engrenages, un peu comme
les compteurs kilométriques de voiture. En 1642, Blaise PASCAL (1623 - 1662) invente une
machine à calculer, la Pascaline, conçue pour aider son père, collecteur des impôts à faire
ses additions et ses soustractions.
Premiers fondements théoriques : Wilhelm LEIBNITZ (Allemagne, 1646 - 1716)
Philosophe et mathématicien, fabrique une machine à calculer mécanique perfectionnée,
fonctionnant en pas à pas et permettant la multiplication, la division et la racine carrée. On
voit apparaître les premières notions des numération binaire. Maintenant on utilise :
BIT : Binary digit, unité d'information binaire.
BYTE : Ensemble de 8 bits appelé encore Octet, permet de coder des valeurs
comprises entre 0 et 255. On peut représenter les valeurs en binaire en
hexadécimal, en décimal (%10011010 = $9A = 9AH = 160 ).
La machine analytique : Charles BABBAGE (Angleterre, 1792 - 1871)
Professeur de mathématiques à Cambridge, simule le fonctionnement d'une machine
analytique qui exécute des opérations arithmétiques, et prend des décisions basées sur les
résultats de ses propres calculs. C'est la notion de calcul séquentiel et de branchement qui
est exprimée dans ces travaux. Charles BABBAGE, aidé de sa collaboratrice Ada
LOVELACE, conçoit une machine mécanique, alimentée en informations par une bande
perforée. Malheureusement cette machine trop complexe à réaliser pour les moyens
techniques de l'époque ne fonctionnera que partiellement. Ada Lovelace, comtesse, fille de
Lord BYRON sera la première programmeuse du monde. Un langage informatique inventé
pour les besoins du Département de la Défense Américain et mis en service en 1980, sera
appelé ADA, en souvenir de Ada Lovelace.
La logique binaire : George BOOLE (Angleterre, 1815 - 1864)
Mathématicien, montrera que toute équation booléenne peut être écrite avec 3 opérateurs
seulement (ET, OU, NON). A cette époque, on ne peut réaliser ces circuits que grâce à des
contacts et des relais électromécaniques. On peut mémoriser une information grâce à un
relais mais c'est encombrant, bruyant et sa consommation électrique est élevée.
Les premiers balbutiements : Joseph Marie JACQUARD (1752 - 1834)
Invente la canne perforée pour commander des métiers à tisser. Cette découverte mise en
oeuvre en 1804 constitue la première mémoire de programme.
Emile BAUDOT invente un système télégraphique pour les chemins de fer américains en
1874. Une tension continue maintenue sur la ligne constitue une sécurité passive. Baudot
laissera son nom dans l'histoire de l'informatique. On appelle BAUD la vitesse de
transmission de l'information sur une ligne série (vitesse : 4800 bauds).
Herman HOLLERITH (Etats Unis1860 - 1929) mettra au point en 1890 une machine
fonctionnant avec des relais et des cannes perforées. Utilisée pour réaliser le recensement
de la population américaine. Il créera une petite société qui deviendra plus tard
l'International Business Machine Corporation (IBM , Big Blue).
Konrad ZUSE (Allemagne) crée des calculateurs binaires à relais, financés par Hitler, dans
le but de trouver des applications militaires (balistique, calcul pour les fusées V1 et V2). Les
machines obtenues sont trop lentes, il faut 3 à 4 secondes pour réaliser une multiplication, le
programme de recherches sera abandonné en 1940. Le dernier prototype, le Z4 à tubes
électroniques sera détruit en 1944 pendant le bombardement de Berlin.

Introduction à l'architecture des ordinateurs. page 2
Introduction à l’informatique industrielle JP Couillault - Lycée Polyvalent de SENS
Les progrès technologiques : le tube électronique découvert par Lee de Forest (Etats Unis
1873 - 1961) en 1906 mettra longtemps à trouver des applications. Les premiers ordinateurs
à tubes électroniques seront ceux de Atanassof (USA) en 1939 et le Colossus de Alan
TURING (Angleterre) en 1936. On verra apparaître à ce moment la notion d'algorithme.
Algorithme : (mot d'origine arabe) suite d'opérations élémentaires permettant de
résoudre un problème donné.
En 1944, Aiken ouvre un centre de recherches. En 1946, il met au point l'ENIAC, ordinateur
spécialisé dans le calcul de trajectoires balistiques. Surface au sol : 160 m², poids : 30
tonnes, constitué de 18000 tubes électroniques, consommant 50 kW, refroidi par deux
énormes ventilateurs. A ce moment apparaît le terme de BUG (insecte) : la première panne
de l'ENIAC a été provoquée par une mite qui avait dévoré l'isolant des fils d'un relais,
provoquant un court circuit.
Depuis cette époque, BUG (Bogue) désigne une erreur,
terme surtout appliqué à un logiciel qui ne fonctionne pas.
Le premier ordinateur IBM sortira en 1948. John Von NEUMANN crée un ordinateur
fonctionnant avec un programme enregistré sur des cartes perforées, les données sont elles
mêmes introduites sous forme de cartes perforées. Cette machine constituée de 13500
tubes électroniques et 21000 relais additionne 3500 nombres de 14 chiffres décimaux en 1
seconde.
Un tube électronique, constitué d'une double triode constitue une mémoire élémentaire (T1
saturée et T2 bloquée = 1, T1 bloquée et T2 saturée = 0).
Accélération des progrès technologiques : le transistor
En 1948, trois ingénieurs américains BARDEEN , BRATTAIN et SHOCKLEY découvrent
l'effet transistor. Il fallut plusieurs années pour que cette découverte soit utilisable dans le
domaine grand public en raison de problèmes de production industrielle (tirage de
monocristaux de Germanium, dopage P et N, réalisation de jonctions minces, ...). Les
premiers récepteurs radio à transistors sortiront sur le marché en 1955. Le transistor, malgré
ses imperfections est plus économe en énergie et nettement plus petit qu'un tube
électronique.
Ces premiers transistors, appelés transistors bipolaires seront suivis par d'autres types :
FET (Field Effect Transistor) et MOS (Metal Oxyde Silicon Serniconductor) dans les années
1965.
Les circuits intégrés : 1959
Un ingénieur de chez Texas Instruments, Saint Clair KILBY, dépose en 1959 un brevet
d'inventions pour les circuits intégrés. Dispositif électronique dans lequel différents
composants (transistors, résistances) sont réalisés sur une même plaquette de Gerrnaniurn
et interconnectés avec des connexions d'aluminium. Cette technique permet de réaliser des
circuits électroniques complexes, de faible encombrement et de faible consommation
électrique. Depuis plusieurs familles logiques ont été développées :
TTL :
Transistor Transistor Logic
ECL :
Emitter Coupled Logic
CMOS :
Compementary MOS
HCMOS :
High Speed CMOS...
La densité d'intégration a progressé de manière fulgurante :

Introduction à l'architecture des ordinateurs. page 3
Introduction à l’informatique industrielle JP Couillault - Lycée Polyvalent de SENS
SSI :
Small Scale Integration, quelques dizaines de composants
MSI :
Médium Scale Integration, quelques centaines de composants
LSI :
Large Scale Integration, 500 à 5000 composants
VLSI :
Very Large Scale Integration, 5000 à 50 000 composants, les
premiers microprocesseurs font partie de cette famille
ULSI :
Ultra Large Scale Integration, de 50 000 à 1 000 000 composants
Un microprocesseur Pentium contient 3,1 millions de transistors.
La guerre technologique : le premier microprocesseur, brevet déposé en 1970 par Gilbert
HYATT est le résultat d'une erreur commerciale. C'est le 4004 de INTEL. Depuis, d'énormes
progrès ont été accomplis. La logique TTL rapide consomme trop de puissance.
Progressivement les logiques MOS ont gagné en rapidité et sont devenues plus facile à
intégrer. La largeur des connexions dans les circuits intégrés est devenue inférieure au
micron (actuellement 0,35 micron en production et 0,2 micron en laboratoire). La densité
d'intégration augmente et on peut réaliser des circuits de plus en plus complexes.
Des progrès de vitesse sont faits en explorant des technologies nouvelles, Silicium Silicon
On Sapphire (SOS), Arséniure de Gallium (AsGa), Jonctions Josephson fonctionnant à l'état
supraconducteur dans l'azote liquide (Seymour CRAY)...
Pas de système informatique sans mémoire : avec des relais électromagnétiques ou des
bascules bistables à tubes électroniques, on ne peut pas stocker beaucoup de données. De
plus ces systèmes sont encombrants et consomment beaucoup d’énergie. Le premier
dispositif utilisé a été la carte perforée ou la bande perforée. Fastidieux à perforer et à
manipuler, long à charger dans l'ordinateur par un lecteur de cartes ou un lecteur de bande,
cette méthode a conservé des applications spécifiques pendant assez longtemps.
On a utilisé les tores de ferrite. L'information est stockée dans un petit anneau de ferrite que
l'on aimante ou que l'on désaimante pour constituer les deux états 0 et 1. Ces mémoires
sont encombrantes, difficiles à fabriquer (fabrication manuelle nécessitant des ouvrières
spécialisées). Les tores sont aimantés et désaimantés par des impulsions électriques, la
lecture est destructive et il faut réenregistrer l'information après lecture. L'accès est lent 100
à 1000 caractères par seconde, la capacité est limitée à quelques kilo-octets :
1 KILO-OCTET = 2
10
Octets = 1024 Octets.
Les mémoires intégrées :
RAM :
Random Access Memory ou Mémoire vive.
on peut accéder à n'importe quel moment à n'importe quelle case
mémoire, aussi bien en lecture qu'en écriture. La commande de lecture
écriture se fait grâce ou signal R/W. On obtient de fortes capacités mais
l'information est volatile.
SRAM :
Static RAM
facile à utiliser, ne nécessite pas de circuit annexes, chaque bit est stocké
dans une bascule bistable à transistors.
DRAM :
Dynamic RAM
plus compactes que les SRAM, elles ont une plus forte capacité au cm²,
les 1 sont matérialisés par la charge de minuscules condensateurs,
(capacité de grille d'un transistor MOS). Comme ces condensateurs se
déchargent, il faut rafraîchir le contenu périodiquement. Le circuit de
rafraîchissement annexe réalise ce travail de remise à niveau de la
tension dans les condensateurs.

Introduction à l'architecture des ordinateurs. page 4
Introduction à l’informatique industrielle JP Couillault - Lycée Polyvalent de SENS
RAM
Sauvegardées :
ces RAM à très faible consommation sont alimentées par un
accumulateur quand la tension principale d'alimentation est coupée.
L'accumulateur peut être externe ou interne à la RAM.
ROM :
Read Oniy Memory ou mémoire à lecture seule ou mémoire morte.
elle permet de stocker indéfiniment des programmes ou des données.
Dans une ROM, le contenu de la mémoire est fixé au moment de la
fabrication suivant les spécifications du client (connexions réalisées ou
non). Ceci n'est possible que pour une fabrication de moyenne ou grande
série.
PROM :
Programmable ROM
livrée « vierge » cette PROM est programmable par l'utilisateur à l'aide
d'un logiciel et d'un matériel spécialisé (Programmateur de PROM). La
programmation est destructive et irréversible (destruction de minuscules
fusibles d'aluminium ou destruction de jonctions).
EPROM :
Erasable PROM
ces mémoires sont effaçables aux ultraviolets (Effaceur d’EPROM). On
les reconnaît à la fenêtre de quartz qui permet aux UV d'atteindre le
semiconducteur. On peut effacer et reprogrammer ces EPROM des
milliers de fois sans problèmes (ou presque ...).
EEPROM :
Electrically Erasable PROM
programmables, elles sont effaçables électriquement sur place sans
démontage.
Les ROM servent à stocker des programmes figés, moniteur pour système informatique
simple, programme de test et de lancement d'un ordinateur (BIOS en ROM), données,
points de consigne pour un système automatisé, interpréteur de langage de commande,
programmes dans les microcontrôleurs ...
Les mémoires de masse ou mémoire secondaire : Le premier système a été la bande
perforée, conservé assez longtemps pour certaines machines automatisées. Maintenant
considéré comme lent et fragile, ce support n'est plus utilisé.
Les bandes magnétiques utilisées depuis 1949, sont lentes à cause de l'accès séquentiel
qu’elles imposent. Il faut en effet lire toute la bande pour arriver aux informations
recherchées. En revanche elle sont de très forte capacité. Elles sont toujours utilisées pour
sauvegarder périodiquement le contenu d'un disque dur (Streamer) ou pour stocker de très
grandes quantité d'information (Dérouleurs de bandes).
Disquette ou disque souple ou floppy disk : Inventé par un japonais Yoshiro Nakamoto
en 1950, la licence d'exploitation est achetée par IBM. Les formats sont passés de 8 pouces
à 5 pouces 1/4 puis à 3 pouces 1/2. Dans le même temps les capacités de stockage
augmentent 140 Ko puis 1,2 Mo puis 1,44 Mo puis 100 Mo ...
Disque dur ou hard disk : Inventé en 1962 par IBM sous le nom de code de Programme
Winchester, le disque dur a constamment évolué :
Capacité :
de 10 Mo à plus de 10 Go maintenant.
Vitesse d'accès :
de 70 ms à 8 ms pour les disques actuels.
MTBF :
temps moyen de bon fonctionnement
augmente : supérieure à 30 000 heures.

Introduction à l'architecture des ordinateurs. page 5
Introduction à l’informatique industrielle JP Couillault - Lycée Polyvalent de SENS
Vitesse de transfert :
5 Mo / s au début, on arrive à 33 Mo / s pour les interfaces EIDE et
40 Mo / s pour les interfaces SCSI.
Les microprocesseurs, la course à la puissance : INTEL crée en 1972 le 4004. Ce
programme lancé à la demande d'un client, pour des applications d'automatisme est
finalement abandonné parce que trop coûteux. Les chercheurs se demandent ce qu'ils vont
bien pouvoir faire avec ce circuit.
1976 :
MOS Technologies sort le 6502.
1976 :
Deux chercheurs, anciens de INTEL, créent la firme ZILOG et sortent le Z80
qui sera vendu à des millions d'exemplaires.
1977 :
MOTOROLA sort le 6800. Deux étudiants passionnés par les techniques
nouvelles, Steeve JOBS et Stephen WOZNIAK fabriquent leur ordinateur et
créent la firme APPLE.
1978 :
INTEL contre attaque avec le 8086. C'est Bill GATES, le jeune patron de
MICROSOFT qui créera le système d'exploitation MS DOS, rendant ainsi
possible la commercialisation des premiers Personal Computers en 1981.
A cette époque, les constructeurs d'ordinateurs sont très nombreux : Tandy
avec son TRS 80, Commodore, Zenith, Atari, Philips, ITT ...
Depuis les deux leaders des microprocesseurs se livrent une guerre commerciale en sortant
sans arrêt de nouveaux produits. Les processeurs gèrent des espaces mémoire de plus en
plus étendus (64 Ko ... 4 Go ...). Capables au début de traiter uniquement des données de 8
bits, ils travaillent maintenant en 16 ou 32 bits. La vitesse de traitement augmente elle aussi,
elle passe de 4,77 Mhz pour les premiers PC en 1980 à 500 Mhz pour certains modèles à fin
1999.
MOTOROLA sort 6802, 6805, 6809, 68000, 68020, 68030, 68040 enfin en collaboration
avec APPLE et IBM le POWER PC décliné en plusieurs versions 601, 602, 603, 620.
INTEL sort le 80286, 80386, 80486 puis les Pentium (série 1 puis 2 puis 3) et le Pentium
Pro.
D'autres constructeurs tentent de prendre des parts de marché. NEC (Nippon Electronic
Company), SUN avec ses processeurs SPARC, Silicon Graphics crée ses propres
processeurs, CRAY toujours unique dans le domaine des processeurs cryogéniques, CYRIX
et AMD qui fabriquent des processeurs compatibles INTEL, THOMSON seconde source
pour MOTOROLA.
De même les systèmes d'exploitation évoluent de façon à utiliser au mieux les possibilités
des microprocesseurs, ou pour fournir des services particuliers aux utilisateurs (DOS,
WINDOWS, UNIX, OS9, ...).
A côté des applications nécessitant une très forte puissance de calcul, il existe des
domaines utilisant des processeurs de faible puissance :
• L'électroménager : machines à laver, four à micro-ondes, téléviseurs, magnétoscopes
...