Structure et fonctionnement d'un ordinateur : hardware Introduction : De nos jours, l'ordinateur est considéré comme un outil indispensable à la profession de BDA, aussi bien dans les domaines de la recherche d'informations (OPAC, Bases de données etc.) que dans la gestion des tâches quotidiennes (opérations de prêt, fichier des lecteurs, rappels, statistiques diverses etc.). Pourtant, bien que tout un chacun soit capable d'utiliser de nombreux logiciels (software), le fonctionnement interne d'un ordinateur reste pour le plus grand nombre un mystère. Dans la première partie de ce travail, je m'efforcerai d'expliquer brièvement quelles sont les composantes d'un ordinateur et leur utilité (avec une attention particulière pour les "périphéries" qui sont devenus aujourd'hui des éléments à part entière d'un PC). Dans la seconde partie, je décrirai les multiples opérations qui se déroulent au sein du système électronique à partir du moment ou l'utilisateur "allume" son ordinateur jusqu'au moment ou il voit apparaître sur son écran les icônes représentant les divers logiciels déjà installés. Le hardware : c'est quoi? Afin de comprendre le fonctionnement d'un PC, il m'a paru plus aisé de commencer par décrire ses différentes composantes (hardware). La pièce principale de l'unité centrale, qui est située à l'intérieur du boîtier ou de la tour, et qui est indispensable (avec le moniteur, le clavier, la souris, les câbles etc.) au fonctionnement d'un ordinateur est la carte mère. La carte mère est un circuit imprimé de la forme d'un rectangle, construite en fibre de verre et parsemée de nombreuses puces 1. Elle est également composée de condensateurs et de résistances reliés entre eux par des fils de cuivre qui permettent le transport des données binaires d'une unité à une autre. 1 Pastilles capables de supporter un ou plusieurs circuits intégrés contenant des millions de transistors (microcircuits permettant de créer de l'information binaire).
L'élément principal de cette carte mère est le microprocesseur ou CPU (Central Processing Unit). C'est à partir de cette puce électronique (un petit peu plus grande que les autres) que va s'exécuter tous les traitements des informations, c'est-à-dire les additions, les multiplications, les divisions etc. Ce qui caractérise un microprocesseur c'est sa rapidité de calcul (l'unité de mesure étant le mégahertz (Mhz)). Le microprocesseur ne pourrait rien traiter sans une mémoire pour stocker les informations. On en distingue trois types : La mémoire vive ou RAM (Random Access Memory) est mise à la disposition de l'utilisateur pour travailler, charger des programmes etc. Elle est dite volatile, car son contenu s'efface en cas de coupure de courant ou si l'on éteint son ordinateur de manière incorrecte. La mémoire morte ou ROM (Read Only Memory) est une mémoire que le microprocesseur peut uniquement lire. Elle contient des informations vitales pour le démarrage de l'ordinateur (bootstrap 2 ) ainsi que des instructions concernant les diverses périphéries (l'imprimante, l'écran etc.). Cette mémoire va permettre de lancer le BIOS (Basic Input/Output System). Le BIOS est simplement un microprogramme qui va permettre au microprocesseur de contrôler le bon démarrage du PC, le lancement du système d'exploitation (ex : Dos, Windows), les différentes périphéries etc. La mémoire-cache est un espace de mémoire intercalé entre le microprocesseur et la mémoire vive. Cette mémoire cache permet d'enregistrer provisoirement des instructions ou des données (par exemple des fichiers du disque dur) afin d'accéder rapidement aux informations les plus couramment demandées. La carte mère permet également l'insertion de cartes d'extension. Ces cartes, qui sont actuellement de plus en plus présentes avec l'arrivée du multimédia, offrent la possibilité d'optimiser certaines fonctions d'un ordinateur personnel. A l'arrière de la carte mère se trouve des connecteurs d'extension (ou bus) qui peuvent accueillir une carte graphique, une carte son, une carte modem, une carte pour l'emploi d'un scanner etc. Les connecteurs les plus fréquemment utilisés sont proposés sous le format ISA (Industry Standard Architecture). Ces derniers restent modestes par leurs performances (vitesse du débit). Il existe actuellement un autre type de connecteurs (PCI pour Peripheral Component Interconnect) plus longs qui permettent l'insertion de cartes d'extension nécessitant un transport d informations plus élevé, ceci par exemple, en vue d'accélérer l'affichage de documents en 3 dimensions. 2 Voir explications de ce terme dans la deuxième partie.
Pour qu'une périphérie puisse être connectée aisément sur un ordinateur, des normes de connexion ont également été créées. La plupart des ordinateurs actuels sont équipés en standard de connecteurs séries (on parle de port ou interface série 3 ) ou parallèles 4. Ces derniers permettent d'intégrer une interface de type SCSI 5 (très en vogue actuellement surtout avec l'apparition des réseaux) qui favorise le taux et la fiabilité du transfert des données. De plus, cette interface permet également de connecter jusqu'à sept périphéries sur un seul port (prise). Un autre élément primordial de l'unité central est le disque dur. Le disque dur joue un rôle de mémoire auxiliaire. Les données sont "simplement" transcrites sous forme de valeurs binaires l'une après l'autre dans un sens circulaire (comme pour les disquettes 3 1/2, les CD-Rom etc.). Ce support va permettre : le stockage des informations de manière permanente (mais contrairement à la mémoire ROM, l'utilisateur peut à tout moment supprimer ou modifier des données ou des programmes qui ne seraient plus pertinents). d'augmenter les capacités de stockage des mémoires internes (ROM et RAM). La particularité première d'un disque dur ou d'un CD-Rom est l'importance du volume d'information qu'il peut contenir par rapport à une disquette 3 1/2. 6 Les autres éléments (en plus de l'unité centrale, partie invisible pour l'utilisateur) faisant également partie de ce que l'on appelle couramment le hardware d'un PC sont : Le clavier et l'écran (moniteur) : les deux périphéries indispensables pour communiquer avec l'unité centrale. Le lecteur de disquettes, l'imprimante, la souris Le CD-Rom, voir son remplaçant le DVD-Rom, les haut-parleurs : éléments principaux du multimédia. 3 Les informations (données) sont envoyées sous forme de bit l'une après l'autre à travers une seule ligne, ce qui rend ce type de port plus lent que les ports de type parallèle (2 lignes). 4Les informations sont transmises octet (1 octet = 8 bit) par octet sur un câble (bus) qui permet la circulation des données dans les deux sens. 5 SCSI = Small Computer System Interface. 6 Les unités de mesure concernant la capacité de stockage, la fréquence de la transmission d'informations etc. seront développées dans la deuxième partie.
mais aussi : le scanner, le graveur de CD, le stylo optique, le lecteur Zip de disquettes haute densité (100 Mb) etc. Comment cela fonctionne-t-il? Depuis l'apparition des premiers ordinateurs personnels au début des années 80 et les derniers modèles sortis en 1998, l'architecture ou encore le fonctionnement interne n'a pas foncièrement changé. Les ordinateurs ne comprennent toujours que le langage binaire (langage machine). Les instructions traitées par le microprocesseur et les diverses mémoires sont uniquement composées de 1 et de O 7 (1 = le courant passe ; 0 = le courant ne passe pas). Les microprocesseurs actuel (Pentium etc.), sont capables de traiter aux travers des millions de transistors un nombre vertigineux d'instructions par seconde. L'évolution s'est donc surtout fait au niveau de la puissance des machines, grâce entre autre à la miniaturisation des composantes de l'unité centrale (cela à permis d'augmenter le nombre des transistors, de diminuer la taille des bus de transmission etc.). Le résultat de ce progrès technologique a été la possibilité, pour un PC standard, de gérer plus d'informations simultanément dans un temps toujours plus réduit. L'innovation la plus marquante c'est fait au niveau de la convivialité des interfaces pour l'utilisateur (systèmes d'exploitations Windows ou Macintosh). Il est actuellement possible d'utiliser quotidiennement un PC sans avoir aucune notion sur son fonctionnement interne, ce qui n'était pas le cas dans les années 80. C'est ce changement radical qui a propulsé les sociétés industrialisées dans l'ère de l'informatique. Nous allons voir maintenant, qu'entre le moment ou l'utilisateur met en marche son ordinateur et l'apparition à l'écran d'un environnement de type Windows, de nombreuses opérations se sont déroulées à son insu. C'est précisément celles-ci qui vont nous intéresser. Lorsque l'on appuie sur l'interrupteur de l'ordinateur, un petit programme contenu dans une puce BIOS 8 et gravé dans une mémoire ROM (lecture uniquement) va effectuer un "autotest de démarrage" (cette procédure 7 On appelle "bit" l'unité fondamentale que peut traiter un ordinateur. Pour concevoir un caractère, on utilise une suite de huit bit appelé aussi octet. 8 BIOS = Basic Input Output Supervisor.
d'initialisation se nomme aussi POST 9 ) afin de s'assurer que les composantes du hardware (clavier, carte graphique de l'écran), du microprocesseur, de la mémoire RAM, du disque dur fonctionnent bien. C est le bus système, un ensemble de lignes qui permet la transmission des données sous la forme de signaux binaires entre l'unité centrale et les différentes composantes du hardware, qui va se charger de mettre en relation les différents éléments intervenant lors de cette procédure. Après avoir effectué ces contrôles, l'ordinateur est prêt pour la seconde étape ; le chargement du système d'exploitation 10 depuis le disque dur (voir éventuellement d'une disquette), le système d'exploitation étant trop volumineux pour être contenu dans la mémoire morte de l'ordinateur. C'est uniquement un petit programme d'amorçage, contenu également dans la puce BIOS (ROM), qui va chercher sur le disque dur, les fichiers permettant le lancement du système d'exploitation. Ces fichiers (de type.sys) seront ensuite enregistrés dans la mémoire vive (RAM) et ils relayeront le BIOS afin de compléter le chargement du système d'exploitation. A l'heure actuelle, la très grande majorité des PC sont équipés de deux systèmes d'exploitations superposés. En effet, Microsoft a "greffé" un second système d'exploitation, Windows, sur le fameux DOS (Disk Operating System) qui n'offrait pas une interface suffisamment conviviale pour les usagers. Conclusion A l heure actuelle, il est très difficile d envisager l ordinateur de demain. Les progrès technologiques étant tel que l évolution semble sans limite. Pourtant, avec la généralisation d Internet au grand public, nous pouvons constater que, malgré la puissance des ordinateurs d aujourd hui, le débit d information n est pas toujours suffisant (temps d attente trop élevé). La réalisation de réseaux plus performants et la construction de machines permettant d accroître encore la rapidité de transmission des données restent les priorités. 9 POST = Power On Self Test. 10 Le système d'exploitation est un ensemble de logiciels qui vont prendre en charge les composantes matérielles d'un ordinateur (disque dur, écran, clavier etc.). C'est une interface entre le matériel et l'utilisateur.