Une chose est très importante à bien comprendre : à la base nous avons le transistor, une combinaison de transistor (sous forme de circuit intégré) permet d'obtenir des circuits logiques, la combinaison de circuits logiques permet d'obtenir des circuits plus complexes (exemple : l'additionneur), et ainsi de suite...

Au sommet de cet édifice (on pourrait parler de poupée russe), nous allons trouver la mémoire vive (RAM) et le microprocesseur (CPU).

La mémoire vive RAM (Random Access Memory)

La mémoire vive permet de stocker des données et des programmes. Comme nous l'avons vu, l'ordinateur utilise uniquement 2 états, la mémoire va donc stocker les données sous forme de bits (0 ou 1), mais encore une fois, il ne faut pas s'imaginer que la mémoire est pleine de "petit 0" et de "petit 1", ce sont des "états électriques" qui sont stockés dans cette mémoire.

La mémoire ne gère pas les bits 1 par 1, mais 8 par 8, la mémoire gère donc des octets (rappel : 1 octet = 8 bits)

On peut se représenter la mémoire comme une série de cellules, chaque cellule étant capable de stocker 1 octet. Chacune de ces cellules possède une adresse. Les opérations sur la mémoire sont de 2 types : lecture / écriture. Une opération de lecture consiste à aller lire l'octet situé à l'adresse mémoire XXXXX (ces adresses mémoire étant bien évidemment codées en binaire) et une opération d'écriture consiste à écrire un octet donné à l'adresse mémoire YYYYY. Cette notion d'adresse mémoire est fondamentale, nous aurons l'occasion de revenir dessus un peu plus loin.

Toujours sur l'aspect technologique, 1 bit d'une cellule est l'association d'un transistor et d'un condensateur. Un condensateur est un composant électronique qui peut être soit chargé (on stocke alors un "1"), soit déchargé (on stocke alors un "0"). Un condensateur n'est pas capable de conserver sa charge pendant très longtemps, il doit donc être alimenté électriquement parlant afin de conserver cette charge. Voilà pourquoi la mémoire vive est une mémoire volatile : toutes les données présentes en mémoire sont perdues en cas de coupure de courant. Pour conserver les données une fois l'ordinateur éteint, il faut faire appel à d'autres types de mémoire : les mémoires de stockage. Le disque dur est aujourd'hui la mémoire de stockage la plus utilisé (au moins dans les usages "familiaux"). Un disque dur n'a pas besoin d'alimentation électrique pour conserver les données.

Pour terminer sur cet aspect technologique, il faut noter que l'on trouve aussi des mémoires vives qui stockent l'information grâce à un circuit dit de type "bascule". Ce circuit est une combinaison de plusieurs portes logiques.

Il n'est pas question pour nous d'étudier ce type de circuit, le schéma ci-dessus vous permet juste de vérifier qu'une fois de plus nous avons bien à faire à une combinaison de porte logique.

Le microprocesseur CPU (Central Processing Unit)

Le microprocesseur est le "coeur" d'un ordinateur : les instructions sont exécutées au niveau du CPU. Il est schématiquement constitué de 3 parties :

• les registres permettent de mémoriser de l'information (donnée ou instruction) au sein même du CPU. Leur nombre et leur taille sont variables en fonction du type de microprocesseur. Dans la suite on nommera ces registres R1, R2, R3...
• L'unité arithmétique et logique (UAL ou ALU en anglais) est chargée de l'exécution de tous les calculs que peut réaliser le microprocesseur. Nous allons retrouver dans cette UAL des circuits comme l'additionneur (voir plus haut)
• L'unité de commande permet d'exécuter les instructions (les programmes)

Le bus

Ouvrons une petite parenthèse : les données doivent circuler entre les différentes parties d’un ordinateur, notamment entre la mémoire vive et le CPU. Le système permettant cette circulation est appelé bus. Il existe, sans entrer dans les détails, 3 grands types de bus :

• Le bus d’adresse permet de faire circuler des adresses (par exemple l’adresse d’une donnée à aller chercher en mémoire)
• Le bus de données permet de faire circuler des données
• Le bus de contrôle permet de spécifier le type d’action (exemples : écriture d’une donnée en mémoire, lecture d’une donnée en mémoire).

Initiation à l'assembleur

Revenons sur ces instructions aussi appelées "instructions machines" exécutées par l'unité de commande. Comme vous le savez déjà, un ordinateur exécute des programmes qui sont des suites d'instructions. Le CPU est incapable d'exécuter directement des programmes écrits, par exemple, en Python. En effet, comme tous les autres constituants d'un ordinateur, le CPU gère uniquement 2 états (toujours symbolisés par un "1" et un "0"), les instructions exécutées au niveau du CPU sont donc codées en binaire. 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.

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

• les instructions arithmétiques (addition, soustraction, multiplication...). Par exemple, on peut avoir une instruction qui ressemble à "additionne la valeur contenue dans le registre R1 et le nombre 789 et range le résultat dans le registre R0" (l'adresse mémoire est donnée en base 10 pour souci de simplicité, n'oubliez pas qu'en interne elle est codée en binaire)
• les instructions de transfert de données qui permettent de transférer une donnée d'un registre du CPU vers la mémoire vive et vice versa. Par exemple, on peut avoir une instruction qui ressemble à "prendre la valeur située à l'adresse mémoire 487 et la placer dans la registre R2" ou encore "prendre la valeur située dans le registre R1 et la placer à l'adresse mémoire 512"
• les instructions de rupture de séquence : les instructions machines sont situées en mémoire vive, si, par exemple, l'instruction n°1 est située à l'adresse mémoire 343, l'instruction n°2 sera située à l'adresse mémoire 344, l'instruction n°3 sera située à l'adresse mémoire 345... 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 encore appelées instructions de saut ou de branchement permettent d'interrompre l'ordre initial sous certaines conditions en passant à une instruction située une adresse mémoire donnée, par exemple, nous pouvons avoir une instruction qui ressemble à cela : imaginons qu'à l'adresse mémoire 354 nous avons l'instruction "si la valeur contenue dans le registre R1 est strictement supérieure à 0 alors exécuter l'instruction située à l'adresse mémoire 4521". Si la valeur contenue dans le registre R1 est strictement supérieure à 0 alors la prochaine instruction à exécuter est l'adresse mémoire 4521, dans le contraire, la prochaine instruction à exécuter est à l'adresse mémoire 355.

Comme déjà dit, les opérandes désignent les données sur lesquelles le code opération de l'instruction doit être réalisée. Un opérande peut être de 3 natures différentes :

1. l'opérande est une valeur immédiate : l'opération est effectuée directement sur la valeur donnée dans l'opérande
2. l'opérande est un registre du CPU : l'opération est effectuée sur la valeur située dans un des registres (R0,R1, R2,...), l'opérande indique de quel registre il s'agit
3. l'opérande est une donnée située en mémoire vive : l'opération est effectuée sur la valeur située en mémoire vive à l'adresse XXXXX. Cette adresse est indiquée dans l'opérande.

Quand on considère l'instruction machine : "additionne le nombre 125 et la valeur située dans le registre R2 , range le résultat dans le registre R1", nous avons 2 valeurs : le "nombre 125" (qui est une valeur immédiate, nous sommes dans le cas n°1) et "la valeur située dans le registre R2" (nous sommes dans le cas n°2)

Quand on considère l'instruction machine : "prendre la valeur située dans le registre R1 et la placer à l'adresse mémoire 512", nous avons 2 valeurs : "à l'adresse mémoire 512" (nous sommes dans le cas n°3) et "la valeur située dans le registre R1" (nous sommes toujours dans le cas n°2)

Évidemment le microprocesseur est incapable d'interpréter la phrase "additionne le nombre 125 et la valeur située dans le registre R2 , range le résultat dans le registre R1" tout cela doit être codé sous forme binaire.

Un programme en langage machine est donc une suite très très longue de "1" et de "0", ce qui vous en conviendrez est quelque peu rébarbatif à programmer : sur les dizaines de milliers de "1" et de "0" qui composent un programme en langage machine de taille modeste, une seule erreur, et votre programme ne fonctionne pas...imaginer la difficulté pour retrouver l'erreur ! Bref programmer en langage machine est extrêmement difficile, pour pallier cette difficulté, les informaticiens ont remplacé les codes binaires abscons par des symboles mnémoniques (plus facile à retenir qu'une suite de "1" et de "0"). Nous avons toujours des instructions machines du genre "additionne le nombre 125 et la valeur située dans le registre R2 , range le résultat dans le registre R1", mais au lieu d'écrire "11100010100000100001000001111101", nous pourrons écrire "ADD R1,R2,#125". Dans les 2 cas, la signification est identique : "additionne le nombre 125 et la valeur située dans le registre R2 , range le résultat dans le registre R1".

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.