Comment marche un ordinateur

🟢 Découverte

Un ordinateur ne connaît que deux états : allumé ou éteint, que l'on note 1 et 0. Avec assez de 0 et de 1, on peut tout écrire : des nombres, des lettres, des couleurs, des sons, et même des programmes.

🟡 Curieux

Un bitBit — La plus petite information possible : 0 ou 1. Dans un ordinateur, c'est une tension basse ou haute sur un fil. Huit bits forment un octet. vaut 0 ou 1 ; un octetOctet — Unité de base des données : 8 bits, soit un nombre entre 0 et 255. Une lettre simple tient en un octet. regroupe 8 bits, soit 256 valeurs (de 0 à 255). Chaque bit compte double de son voisin de droite : 1, 2, 4, 8… jusqu'à 128. Une lettre est un nombre (65 pour « A »), une couleur est trois nombres (rouge, vert, bleu).

🔴 Ingénieur

Le texte est codé avec Unicode, en général sous la forme UTF-8 : de 1 à 4 octets par caractère, les 128 premiers étant ceux de l'ASCII. Les nombres négatifs utilisent le complément à deux ; les nombres à virgule, la norme IEEE 754. Comme 0,1 ne s'écrit pas exactement en binaire (de même que 1/3 en décimal), JavaScript calcule 0.1 + 0.2 = 0.30000000000000004. En octobre 2026, environ 99 % des sites web utilisent UTF-8 (selon W3Techs).

🟢 Découverte

Un transistorTransistor — Minuscule interrupteur commandé par l'électricité, sans pièce mobile. Une puce récente en contient des dizaines de milliards ; combinés, ils forment les portes logiques. est un interrupteur sans pièce mobile, que l'on commande avec de l'électricité au lieu d'un doigt. Une puce récente en contient des dizaines de milliards, gravés dans du silicium.

🟡 Curieux

Presque toutes les puces utilisent des transistors MOS : une tension sur la grille ouvre un canal dans le silicium, et le courant passe entre la source et le drain, comme un robinet. En 1965, Gordon Moore observe que le nombre de composants par puce double à peu près chaque année ; en 1975, il corrige : tous les deux ans. Ce n'est pas une loi de la nature, mais un objectif que toute l'industrie s'est efforcée de tenir.

🔴 Ingénieur

Logique CMOS : chaque porte associe des transistors N et P. Les noms de procédés (« 3 nm ») ne mesurent plus rien de réel depuis le milieu des années 1990 : ce sont des noms de génération ; Intel l'a reconnu en 2021 en rebaptisant les siens.

🟢 Découverte

En reliant quelques transistors, on fabrique des « portes »Porte logique — Petit circuit de quelques transistors qui combine des bits selon une règle simple : ET, OU, NON… Toute l'électronique de calcul est faite de portes. qui répondent à des questions simples : « les deux sont allumés ? » (ET), « au moins un des deux ? » (OU), « le contraire ? » (NON).

🟡 Curieux

Chaque porte a sa table de vérité, qui donne la sortie pour toutes les entrées possibles. Le OU exclusif s'allume quand une seule entrée est allumée : on s'en servira pour additionner. Et avec la seule porte NON-ET, on peut construire toutes les autres.

🔴 Ingénieur

Une porte NON-ET en CMOS compte 4 transistors (deux N en série, deux P en parallèle). Toute fonction logique se réécrit avec des NON-ET, ou avec des NON-OU.

🟢 Découverte

Avec des portes, on peut additionner. C'est l'addition posée de l'école, avec des retenues, mais en binaire : 1 + 1 = 10 (« on écrit 0, on retient 1 »).

🟡 Curieux

Un additionneur complet additionne deux bits et une retenue ; il est fait de deux OU exclusif, deux ET et un OU. En mettant quatre additionneurs en chaîne, la retenue de l'un entrant dans le suivant, on additionne deux nombres de 4 bits.

🔴 Ingénieur

La retenue qui se propage d'étage en étage prend du temps : les processeurs utilisent des additionneurs « à anticipation de retenue ». L'additionneur fait partie de l'unité arithmétique et logique (UAL), qui sait aussi soustraire, comparer et combiner des bits.

🟢 Découverte

Un ordinateur doit se souvenir de ses données et de son programme. Deux portes qui se tiennent l'une l'autre peuvent garder un 0 ou un 1 tant qu'il y a du courant.

🟡 Curieux

C'est une bascule. On en range plusieurs côte à côte pour former des registresRegistre (processeur) — Petite case de mémoire très rapide, à l'intérieur même du processeur, où il garde les nombres sur lesquels il travaille. À ne pas confondre avec le registre des noms de domaine.. La mémoire viveMémoire vive (RAM) — Mémoire de travail de l'ordinateur, faite de cases numérotées (les adresses). Rapide, mais elle s'efface quand on coupe le courant, contrairement au stockage (disque, mémoire flash). (RAM) est un immense tableau de cases numérotées : pour lire ou écrire, on donne le numéro de la case, son adresse. La RAM est rapide mais s'efface quand on éteint ; le stockage (SSD, disque dur) est plus lent mais garde les données.

🔴 Ingénieur

La RAM des ordinateurs actuels est de la DRAM : un transistor et un minuscule condensateur par bit, qu'il faut recharger des milliers de fois par seconde. Les caches, plus rapides, utilisent de la SRAM (des bascules de 6 transistors).

🟢 Découverte

Une horlogeHorloge (fréquence) — Signal qui bat la mesure du processeur : à chaque tic, ses circuits avancent d'un pas. Elle se mesure en hertz ; 3 GHz, c'est 3 milliards de tics par seconde. donne le tempo, comme un métronome : à chaque « tic », tous les circuits avancent d'un pas. Un processeur récent bat plusieurs milliards de tics par seconde.

🟡 Curieux

La fréquence se mesure en hertz : 1 hertz, c'est un tic par seconde ; 1 gigahertz, un milliard. Le 4004 de 1971 battait à 740 000 hertz ; un processeur de bureau récent, entre 3 et 6 milliards. Mais depuis le milieu des années 2000, la fréquence n'augmente presque plus : au-delà, les puces chauffent trop. On multiplie plutôt les cœurs de calcul.

🔴 Ingénieur

La fréquence maximale dépend du chemin le plus lent entre deux bascules : le signal doit avoir traversé toutes les portes avant le tic suivant. Les processeurs découpent donc chaque instruction en étapes (pipeline) et ajustent leur fréquence selon la charge et la température.

🟢 Découverte

Le processeurProcesseur — La puce qui exécute les programmes : elle va chercher une instruction en mémoire, la décode, l'exécute, puis passe à la suivante, des milliards de fois par seconde. lit une instruction en mémoire, comprend ce qu'elle demande, l'exécute, puis passe à la suivante. Encore, et encore, des milliards de fois par seconde.

🟡 Curieux

Le compteur de programme indique la case où se trouve la prochaine instruction. Le programme et les données sont rangés dans la même mémoire (architecture dite « de von Neumann ») : une case peut être lue comme une instruction ou comme un nombre (regarde la dernière colonne de l'animation). Les sauts permettent de répéter (boucles) ou de choisir (conditions).

🔴 Ingénieur

Ce mini-processeur a 7 instructions sur 4 bits et 16 adresses. Un vrai jeu d'instructions (x86, ARM, RISC-V) en compte des dizaines à des centaines, avec de nombreux registres, une pile, des interruptions ; et les processeurs exécutent plusieurs instructions à la fois.

🟢 Découverte

Personne n'écrit directement des 0 et des 1 : on écrit dans des langages plus proches du nôtre, puis un programme les traduit en instructions pour le processeur.

🟡 Curieux

Au plus près de la machine, le langage d'assemblage donne un nom à chaque instruction. Plus haut, les langages comme Python ou C sont traduits par un compilateurCompilateur — Programme qui traduit, avant l'exécution, un texte écrit dans un langage lisible (C, Rust…) en instructions pour un processeur précis. (avant l'exécution) ou un interpréteur (pendant). Et au-dessus de tout cela, le système d'exploitation (Windows, Linux, macOS…) partage le processeur et la mémoire entre les programmes ; pour parler à chaque appareil, il s'appuie sur un pilote.

🔴 Ingénieur

Un compilateur analyse le texte, le transforme en représentation intermédiaire, l'optimise (il calculerait ici 2 + 3 à l'avance), puis produit le code machine du processeur visé.