Le développement des ordinateurs débute avec le mathématicien anglais Alan Turing, qui imagine en 1936 le concept de “machine de Turing”. C’est un modèle abstrait du fonctionnement d’appareils de calcul.

Elle précise notamment le concept d’algorithme et est à l’origine du fonctionnement des ordinateurs actuels, introduisant le concept de "lecture" d'une bande constituée de 1 ou de 0.

Architecture d'un ordinateur

Modèle Von Neumann

Conçue en 1945, l’architecture de Von Neumann sépare l’ordinateur en 4 parties:

L'unité arithmétique et logique (UAL ou ALU en anglais) ou unité de traitement:

son rôle est d'effectuer les opérations (calculs) de base

L'unité de contrôle (UC ou CU en anglais pour Control Unit):

c'est le chef d'orchestre de l'ordinateur, elle récupère les instructions du programme en mémoire et les données sur lesquelles doivent s'opérer les instructions (via des bus de communication), puis les envoie à l'unité arithmétique et logique

La mémoire:

elle contient les programmes ET les données, et qui indiquera à l'unité de contrôle quels sont les calculs à faire sur ces données

Les dispositifs d'entrée-sortie pour communiquer avec l'extérieur

Le CPU (Central Processing Unit ou Unité Centrale de Traitement), aussi appelé processeur:

regroupe à la fois l'unité arithmétique et logique et l'unité de contrôle.

Composants d’un ordinateur:

microprocesseur:

Le microprocesseur exécute les instructions en langage machine des programmes informatiques. C’est le composant qui demande le plus d’énergie, il est donc situé proche du ventilateur. Il concentre plusieurs unités importantes de l’architecture de Von Neumann.

Il est constitué d’une unité arithmétique et logique, d’une unité de contrôle et de registres pour mémoriser des petites quantités d’informations. Un processeur ne peut exécuter que du langage machine composé directement de bits. Le programmateur utilise donc du langage assembleur pour communiquer avec celui-ci.

Le langage assembleur est le plus bas niveau de programmation (c’est-à-dire celui le plus proche du langage machine) lisible par un humain. En utilisant diverses instructions (par exemple : cmp, mov, str, add…), le langage agit directement sur la mémoire de l’ordinateur.

Lors de l’exécution, les instructions en langage assembleur sont traduites directement en langage machine, celles-ci sont ensuite exécutées par le microprocesseur.

mémoire:

Elle stocke les données et les programmes. D’un côté, la mémoire volatile mémorise les données en cours de fonctionnement. De l’autre, la mémoire permanente regroupe les programmes et données de base de la machine.

disque dur:

Il permet le stockage de grandes quantités d’informations, par exemple des logiciels. Dans la culture populaire, lorsque l’on parle de la mémoire d’un ordinateur, on parle souvent du disque dur. Pourtant, les informations qui y sont stockées sont mineures et sont relatives à la personnalisation de celui-ci, et non à son fonctionnement.

mémoire vive:

C’est l’espace de stockage principal du microprocesseur. Sa mémoire est volatile et garde les données tant que l’ordinateur est en marche.

Langage assembleur:

L'ensemble des instructions exécutables directement par le microprocesseur constitue ce que l'on appelle le "langage machine". Une instruction machine est une chaîne binaire composée principalement de 2 parties :

le champ "code opération" qui indique au processeur le type de traitement à réaliser. Par exemple, le code "00100110" donne l'ordre au CPU d'effectuer une multiplication.

le champ "opérandes" indique la nature des données sur lesquelles l'opération désignée par le “code opération” doit être effectuée.

instruction machine:

Les instructions machines sont relativement basiques (on parle d'instructions de bas niveau), voici quelques exemples:

les instructions arithmétiques (addition, soustraction, multiplication...).

les instructions de transfert de données qui permettent de transférer une donnée d'un registre du CPU vers la mémoire vive et vice versa.

les instructions de rupture de séquence:

Les instructions machines sont situées en mémoire vive. Au cours de l'exécution d'un programme, le CPU passe d'une instruction à une autre en passant d'une adresse mémoire à l'adresse mémoire immédiatement supérieure : après avoir exécuté l'instruction n°2 (situé à l'adresse mémoire 344), le CPU "va chercher" l'instruction suivante à l'adresse mémoire 344+1=345. Les instructions de rupture de séquence d'exécution permettent d'interrompre l'ordre initial sous certaines conditions en passant à une instruction située une adresse mémoire donnée.

Le processeur est uniquement capable d'interpréter le langage machine, un programme appelé "assembleur" assure donc le passage de "ADD R1,R2,#125" à "11100010100000100001000001111101". Par extension, on dit que l'on programme en assembleur quand on écrit des programmes avec ces symboles mnémoniques à la place de suites de "0" et de "1". Aujourd'hui plus personne n'écrit de programme directement en langage machine, en revanche l'écriture de programme en assembleur est encore chose relativement courante.

Un CPU est uniquement capable d'exécuter des instructions machines. Les instructions des langages de haut niveau comme Python doivent être “transformées" en langage machine (compilation ou interprétation).