• Processeur de calcul
  Pour réaliser plus rapidement les fonctions complexes (log, exp, etc..)
  
  
• Contrôleur graphique GPU (Graphic Processing Unit)
  Pour résoudre plus rapidement les problèmes d'affichage sur écran.
  
  
• Contrôleur de mémoires
  Pour gérer plus rapidement les mémoires du système.
  
  
• Processeur de signal : DSP (Digital Signal Processor)
  Pour le traitement du son ou signaux analogues.
  (Transformée de Fourier Rapide p.ex.)
  
  
• Contrôleur radio (Wi-Fi)
  

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Le mot "numérique" ou, son synonyme "digital" ainsi que le concept d ' "Intelligence artificielle"
ont envahi les media, le langage des journalistes, économistes, hommes politiques, etc.

Présentés comme la Fée Clochette, Carabosse ou la Lampe d'Aladin qu'il suffit de savoir frotter
pour qu'apparaisse le Génie qui va tout faire pour vous
sans que vous ayez à le payer du moindre effort !

Non, il n'y a pas de "Génie Numérique".
Pas plus qu'il n'y a d'intelligence dans ces objets dits "numériques",
ordinateurs, tablettes, téléphones, etc.
sinon celle des humains qui les ont conçus et programmés.

Cette page a pour objectif de démytifier ces phantasmes envahissants et trompeurs.

Les appareils informatiques ne sont que des automates !

Ils peuvent nous étonner par l'extrême rapidité à effectuer des calculs complexes
ou par la précision de leurs actions. Mais ce ne sont que des automates...

Toutes les machines faisant appel à l'informatique :
ordinateurs, tablettes, téléphones mobiles, modules GPS, automatismes domestiques ou industriels, etc...
sont tous construits autour d'une Unité Centrale de Traitement ( UCT ou UC ; CPU Central Processing Unit)
parfois nommée "microprocesseur" vu sa miniaturisation sous forme de circuit intégré .

C'est cette Unité Centrale qui réalise la totalité des actions que l'on attend de l'appareil qui l'abrite.

Voici l'aspect de deux UC très répandues.

UC sous forme de Circuit Intégré ( CI ; IC Integrated Circuit) Dimernsions : 3 à 5 cm. Observez l'existence de très nombreuses bornes par lesquelles l'UC peut recevoir ou émettre des signaux électriques. Ces bornes (appelées "broches"), peuvent être soudées sur la carte à circuits imprimés qui supporte et relie électriquement entre-eux les divers composants électroniques de la machine. (image de gauche) Image de droite : l'UC peut être insérée ("embrochée") sur un support ( Socket ) lui-même soudé sur le circuit imprimé de l'appareil qu'elle pilote : ordinateur, tablette, téléphone portable, etc.... de manière à pouvoir être rapidement remplacée si elle défaille.

Mais que fait au juste l'Unité Centrale de Traitement ?

Réponse : des calculs, uniquement des calculs !

Cela peut sembler paradoxal.
L'informatique présente de telles réalisations qu'elle semble avoir acquis des qualités presque-humaines.
Reconnaissance des visages.
Robots obéissant à des ordres vocaux. Dotés de voix pour répondre
Faces humaines animées par des expressions de joie, de tristesse, etc.
Intelligences artificielles.
etc.
Tout cela serait géré uniquement par des nombres ?

Nous allons montrer que oui.
Mais nous découvrirons tout cela progressivement.

Inutile de parler, crier ou de gesticuler devant !

Un processeur, étant par nature un montage électronique,
il ne peut comprendre ou fournir que des signaux électriques.

Par exemple des tensions électriques appliquées à ses bornes d'entrée.

Pour des raisons de simplicité et d'immunité aux perturbateurs électriques
on a choisi de communiquer par deux valeurs de tension seulement.


Nous les appellerons provisoirement : tension basse / tension haute.
C'est ce qu'on nomme une grandeur binaire (bi : deux).
Des précisions ? Pointez ici :

Une grandeur binaire est généralement représentée sur le papier par les chiffres 0 et 1

Un conseil ? Cliquez ici :

Objection ! :
Une valeur binaire ne peut exprimer que deux valeurs (haut ou bas, symboliées par 1 ou 0 respectivement),
or une distance, une vitesse, par exemple,
peuvent prendre une très large étendue de valeurs de son minimum à son maximum !

On s'en tire en exprimant les grandeurs par des BINAIRES MULTI-BITS .

Par exemple, un nombre binaire de huit bits, (dit "octet", mettons : 01101010)
peut expirimer 256 niveaux de valeur suivant les valeurs données à ses bits.
Voyez ici : .

Encore une objection !

Les grandeurs naturelles, dans leur grande majorité, varient de manière contine au sens mathématique
C.à.d. , en langagge imagé, que pour passer d'une valeur A à B
elles prennent une infinité de valeurs intermédiaires.
On les nomme des grandeurs analogiques.

Aors que les binaires multibits ne peuvent prendre que des valeurs "discretes"
c.à.d. par échelons, sans possibilité de valeurs intermédiaires..

Certes,... mais plus le nombre de bits choisi pour le binaire est élevé,
plus il existe d'échelons entre 0 et le maximum
et plus l'écart de valeur entre deux échelons successifs est petit.

De toutes manières il existe toujours une incertitude dans la mesure des grandeurs physiques.
Il suffira de choisir, pour représenter ces valeurs,
un nombre assez grand de bits pour que cette incertitude soit acceptable.

Un binaire de 32 bits peut exprimer 2³²=4 294 967 296 niveaux de valeur !
L'amplitude des échelons est 1/2³² # 0,00000000023283064365386962890625×(v_max-V_min)
Quelles grandeurs physiques exigent d'être mesurées au 1/4 294 967 296 ème ?
c.à.d. avec une invertitude relative inférieure à 1 milliardième près ?

Voici une calculatrice à votre disposition pour un callcul rapide du nombre d'échelons
et de l'écart relatif entre eux :

C'est donc gagné !
Des nombres binaires multi-bits peuvent bel et bien représenter des valeurs variant continûment.
Et ce avec des écarts qui peuvent être rendus inférieurs aux approximations usuelles de toute mesure.

L'UC ne s'exprimant ou ne comprenant que des nombres binaires multi-bits
pour communiquer avec le monde extérieur,
(saisir les données en provenance des capeurs ou envouer des ordres aux actionneurs)
elle doit obligatoirement disposer de moyens matériels pour saisir ou émettre ces données binaires.

A cet effet, les UC scécialisées dans la saisie de grandeurs physiques
et le contrôle d'actionneurs (on les nomme "Microcontrôleurs"
sont munis de PORTS D'ENTRÉE et de PORTS DE SORTIE multi-bits.

Dans le cas de processeurs d'usage général ne comportant pas de tels ports
on peut leur adjoindre des circuits intégrés comportant des ports d'entrée ou/et de sortie
connectés à l'UC de manière à ce qu'elle puisse commander ces entrées et sortie.
Un exemple de cette pratique ici :

Les schéma général des interfaces entre le monde extérieur et l'UC est le suivant :

Convertisseurs

Les adaptateurs du schéma sont généralement des circuits électroniques
permettant de convertir les tensions de fonctionnement nominales des capteurs ou des actionneurs
en celles recquises par les circuits intégrés (Convertisseurs & UC).

Ou, également adaptations de puissance entre celle (généralement forte) recquise par les actionneurs
et la faible puissance que fournissent les circuits intégrés.

PORTS PARALLELES / PORTS SERIELS

Les échanges de nombres binaires entre l'UC et l'extérieur
se font au travers d'ensembles de "n" bornes nommés PORTS
(n est le nombre de bits dépendant de l'UC utilisée)

Notez ici la présence de PORTS d'ENTRÉE et de SORTIE sur l"Unité Centrale elle-même ???

Le type de ports représenté sur la fig. ci-dessus est nommé "PORTS PARALLELES"
Car ils présentent simultanément les états logiques des nombres binaires à afficher.
Ou, en entrée, ils saisissent simultanément les états logiques de toutes les bornes.

Pour celles et ceux que cela intéresse,
Une page de ce site est consacrée à l'interfaçage d'une UC avec des capteurs TOR (Tout Ou Rien)
tels que ceux qui indiquent l'état ouvert ou fermé d'une vanne, d'un portillon, d'un interrupteur
ou l'état d'bouton poussoir, d'une touche de clavier, ...etc...
Cliquer ici

Il existe des PORTS de communication SERIELS
Ceux-là émettent ou reçoivent les bits de la valeur binaire les uns après les autres !
Sous forme de tensions variables entre une borne et l'équipotentielle OV.
Leur intérêt est certain, l'exemple des ports USB ( Universal Serial Bus) le prouve.

Leur étude sort du cadre de cette page.
Mais si ce type de transfert de données vous intéresse,
vous pouvez vous reporter dans ce site au chapitre consacré à la communication sérielle en pointant ici :

Cette opération se nomme "numérisation"
ou Conversion Analogique-Numérique ( CAN ; ADC Analogic to Digital Conversion).
L'opération inverse :
convertir les données binaires mult-bit fournies par l'UC en valeurs exploitables physiquement
est la Conversion Numérique Analogique ( CNA ; DAC Digital to Analogic Conversion).

Ces deux types de conversion : CAN : d'une grandeur physique : distance, son, et même une couleur, etc...vers un nombre binaire. CNA : d'un nombre binaire vers une valeur continue (par échelons) ...font l'objet d'une étude complète sur ce même site.

Pour prévisualise cette étude

Pour s'y reporter, lien ici

1° Intérêt de la représentation binaire

Les ordinateurs sont faits de circuits électroniques miniaturisés (Circuits Intégrés CI - IC : )

Tout circuit électronique est sensible aux perturbateurs électromagnétiques ambiants.
Ce qui signifie que des tensions parasites peuvent apparaître au sein des circuits
lorsqu'un perturbateur (foudre, machines à étincelles généralement) agit à proximité.

Ces tensions accidentelles se superposent à celles qui assurent le fonctionnement normal du circuit
provoquant leplus souvent des dysfonctionnements.

Certains se souviennent encore des "crachements" dans le son produit par des haut-parleurs,
dans d'anciennes "chaînes Hi-Fi" analogiques ;
des rayures soudaines sur les écrans des vieux téléviseurs... etc.

Tout cela a pratiquement disparu avec l'ère du traitement numérique !

Vu l'écart de tension entre les représentations électriques des états logiques 0 et 1
il est très difficile à un perturbateur ordinaire,
de déformer le signal au point que la tension représentant l'un des niveaux
soit accidentellement portée à la valeur qui représent l'autre.

Ceci assure une grande immunité aux parasites des systèmes à logique binaire.

Les circuits traitant des données numériques sont construits de telle manière
qu'un signal appliqué en entrée est considéré comme étant au niveau haut
dès que sa valeur devient supérieure au seuil haut V_IH.

Il est considéré au niveau bas lorsque sa valeur devient inférieure au niveau bas V_IL.

Pour les niveaux intermédiaires du signal d'entré, le signal numérique ne change pas d'état.
(garde l'état précédent Haut ou Bas)

Dès lors, les signaux perturbateurs se superposant au le signal d'entrée
ne peuvent changer le niveau binaire que 'ils sont supérieurs à la différence des seuils.
Ces seuils sont, par construction des circuits de logique, suffisamment distants pour limiter leur effet.

C'est par ce mécanisme à seuils que le binaire s'est imposé comme particulièrement insensible aux perturbations.

Enfin, presque... débranchez donc votre ordinateur du réseau électrique en cas d'orage...
les perturbateurs dus la foudre en ligne (électrique ou téléphonique)
sont extraordinairement puissants !

Ou procurez-vous de parafoudres sur les lignes...
ou travaillez avec un ordinateur sur batterie...débranché du réseau.

2° Conventions

C'est la plus simple des données numériques ( bit = binary unit = unité binaire)
Si x représente un bit , x peut prendre deux valeurs seulement.
On symbolise ces deux valeurs suivant les circonstances :

Un ordinateur est une machine faite de composants électroniques.
On y représente physiquement ces états logiques par des tensions électriques.
Elle répond de même par des tensions sur ses sorties.

On désigne généralement ces tensions par les symboles suivants :

VIH (I comme "In" : entrée ; H comme "High" : haut) VIL (L comme "Low" : bas) VOH (O comme "Out" : sortie) VOL

Ces tensions, en Volt, dépendent des technologies des composants mis en oeuvre.
C'est pourquoi il est préférable de parler de niveaux "haut" et "bas", "1" ou "0", "vrai" ou "faux"
plutôt que de se baser sur la tension en Volt.

En somme :

Niveau électrique	Tension représentative	Symbole mathématique	Interprétation en logique
Bas ( L : Low)	VIL ou VOL en Volt	0	FAUX ( false)
Haut ( H : High)	VIH ou VOH en Volt	1	VRAI ( true)

4° Taille en bits des données binaires traitées

Le nombre n de bits des groupes binaires constituant les données que traite l'ordinateur
est fixé par la structure matérielle de son organe de calcul, c.à.d.
l ' UAL ( Unité Arithmétique et Logique. ALU Arithmetic and Logical Unit)
et qui fait partie de ce que l'on nomme l ' "Unité Centrale" ou "Processeur".
On parle ainsi d'une Unité Centrale de 8, 16, 32, 64 bits.

Il est bien évident qu'une unité centrale pouvant traiter des données de 64 bits
fournira des résultats numériques plus précis qu'une autre ne traitant que des données à 32 bits.

A moins qu''on ne prenne deux binaires de 32 bits pour constituer un binaire de 64 bits, ce qui est possible.
Mais alors, les opérations vont prendre plus de temps : les calculs seront moins rapides.

5° Puissance de calcul

Les ordinateurs actuels dérivent des premiers ordinateurs
qui furent imaginés et construits lors de la seconde guerre mondiale par Alan Turing
pour le décryptage des messages de guerre .
puis utilisées dans le cadre du Projet Manhattan (1942 à 1946)
pour effectuer les calculs mathématiques complexes
qu'exigeait la mise au point de la première bombe thermonucléaire.
.
Les modèles de machines théorisées par Alan Turing puis réalisées par Von Neumann
étaient théoriquement capables de toute sorte de calcul en combinant seulement des opérations simples.
Leur organe principal était et reste l'ALU ( Arithmetic and Logic Unit) l'unité de calcul.

Paradoxalement, une ALU ne "sait" faire que des calculs de types très simples
( + , - , × , / , et quelques opérations logiques : ET, OU, etc.)
donc ayant, apparemment seulement, une puissance très limitée.

Ils font ces opérations sur des nombres binaires lesquels, comme nous le verrons bientôt,
peuvent représenter toute sorte de nombres et de grandeurs.

Les mécanismes opératoires internes de l'ALU ne sont évidemment pas mécaniques !
Ils font appel à des mécanismes de transferts de charges entre atomes
lesquels se font très rapidement vu la petitesse ses distances interatomiques.

Ces calculs se font avec une extraordinaire rapidité !

Les UC actuelles intègrent une FPU (Floating Point Unit) : unité spéciale de calcul
traitant des opérandes au format dit "à virgule flottante"
(nombres binaires de 64 bits pouvant représenter en décimal, des nombres de 15 chiffres significatifs !
Voir définition ici ! )

Notons cependant que d'autres formats de représentation binaire des nombres
ont été développés récemment pour rendre l'exécution des opérations plus rapide.
Mais leur analyse, lorsqu'ils son divulgués, sor de notre cadre d'étude.



La rapidité de calcul se mesure actuellement en mégaFLOPS, gigaFLOPS, téraFLOPS, pétaFLOPS, HexaFLOPS
("FLOPS" signifie Floating Operations per Second : Nombre d'opérations en virgule flottante par seconde).

méga : 10⁶ ; téra = 10¹² ; péta : 10¹⁵ ; exa : 10¹⁸

1 pétaFLOP : 1 000 000 000 000 000 opérations par seconde !

Un ordinateur personnel (PC) actuel atteint 200 gigaFLOPS.

En 2013, un supercalculateur chinois a dépassé la barre des 33 pétaFLOPS.
On vise actuellement les HexaFLOPS...
Qui dit mieux ?

1° Des binaires à n bits peuvent représenter
des nombres entiers naturels

A chacune ces combinaisons on peut attribuer, par exemple,
un nombre entier naturel

Nombre de bits de la donnée	Binaires correspondants exprimés en base 2	Nombre entier correspondant exprimé en base 10
1	0 1	0 1
2	00 01 10 11	0 1 2 3
3	000 001 010 011 100 101 110 111	0 1 2 3 4 5 6 7
4	0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
etc...	etc	etc
8	0000 0000 à 1111 1111	0 à 255
etc	etc	etc
16	0000 0000 0000 0000 à 1111 1111 1111 1111	0 à 65.535
etc	etc	etc
32		0 à 4 294 967 296
64		0 à 18 446 744 073 709 551 616
etc	etc	etc

3° Représentation binaire des caractères d'imprimerie

Par exemple, les lettres, les chiffres, les signes d'imprimerie :
Dans la convention de codage 8 bits connue sous le nom de Code ASCII
(American Standard Code for Information Interchange)

Voir détails du code ASCII ici :

Note : Pour une meilleure visibilité on sépare les bits en groupes de 4
en écrivant 0011 0007 au lieu de 00110007

Une page d'écriture n'est autre qu'une suite de codes binaires ASCII.
(avec quelques autres indications, toujours en binaire, pour le positionnement, l'apparence des caractères, etc.)

Vous enregistrez vos pages d'écriture dans votre ordinateur sous forme de fichiers.
Un fichier n'est autre qu'une suite de codes binaires enregistrée dans une quelconque mémoire.

Outre ces codes binaires constituant le contenu, les fichiers comportent d'autres indications, toujours en binaire,
de positionnements, un nom de fichier, des indications de nombre de binaires contenus, de dates, etc....

4° Représentation de couleurs

Même des couleurs peuvent être conventionnellement représentées
par des nombres binaires de 24 bits.

Ci-dessous quelques exemples de le codage des couleurs
en vigueur dans la présentation des pages Web, dites HTML,
comme celle que vous regardez en ce moment.

Mais il existe d'autres standards de représentation des couleurs dans d'autres applications.

Le systèmes pilotés par une unité centrale d'ordinateur ne servent pas seulement
à effectuer des calculs en comptabilité, en bureautique, en laboratoire scientifique, en bourse, etc...

Mais aussi à réaliser des automatismes.

Exemples :
Automatisation des machines dans l'industrie, l'agriculture, l'électroménager.
Citons aussi les automobiles et camions à conduite automatique,
les drones à usages divers, le diagnostic médical avancé...

Ce qui suppose une grande puissance et rapidité de calcul que seuls peuvent aligner
les processeurs numériques.



Un automatisme comporte une partie opérative et une partie commande.

La partie commande (gérée par processeur) peut envoyer des signaux (électriques)
pour mettre en euvre des moteurs, des vérins, des résistances chauffantes, etc...etc.
qui constituent la partie opérative.

La partie commande a besoin d'être informée de divers paramètres d'état de la partie opérative
(distances, vitesses, températures) pour ajuster les signaux émis par la commande.

(On continue à faire fonctionner le moteur d'avance tant que la distance de déplacement voulue n'est pas atteinte)
(On arrête d'alimenter les résistances de chauffe si la température souhaitée est atteinte ou dépassée).

Asservissement
La partie commande garde en mémoire des consignes : (distance, vitesse, température, à atteindre)
Des valeurs qu'il faut respecter.
Par des capteurs elle effectue constamment des mesures de ces valeurs.

Pour chaque paramètre de fonctionnement l'automatisme,
le module de commande relève constamment sa veleur (vitesse, distance, températire, etc...)
et la compare à la consigne donnée pour ce paramètre.

Suivant qu'une quelconque mesure atteint, dépasse, ou n'atteint pas sa consigne,
le module de commande modifie l'état des actionneurs (vérins, résistances de chauffe, etc.)
par des commandes appropriées.

P.ex.
Si la température dépasse la consigne, la commande coupe le chauffage.
Si la vitesse d'un module rotatif est inférieure à la consigne,
la commande envoie aussitôt des tensions supérieures au moteur qui maintient la rotation.
etc...

Entrées- sorties

Ainsi, la partie commande ENTRE et SORT constamment des données
représentant les mesures (entrées) et les commandes (sortie)

Schéma d'une unité centrale.

On y trouve l'ALU (unité de calcul sur des nombres binaires)
et deux blocs d'interface [ENTREES] et [SORTIES] aussi nommés "Ports d'entrée" ou "Ports de sortie"
Ce sont des ensembles de "n" contacts accessibles par les dispositifs externes à l'UC.
("n" état le format de données traité par ce processeur).

L'UC peut, grâce à une ou des instructions spécialisées,
transférer dans l'Accumulateur les états binaires des contacts du (ou d'un) port d'entrée.
C'est une opération de "lecture" dite aussi d' "entrée". ( "read" , "in")

L'UC peut aussi, grâce à une ou des instructions spécialisées,
transférer les états binaires de son Accumulateur
sur les états électriques binaires du (ou d'un) port de sortie.
C'est une opération d'"écriture" dite aussi de "sortie". ( "write" , "out")

On les nomme "Ports d'entrée(s)" ou "Ports de sortie(s)"

Plus de détails sur les entrées :
Plus de détails sur les sorties :

• Mettre en marche un moteur, une résistance de chauffage, ouvrir ou fermer une vanne, etc.
  sont des commandes TOR (Tout Ou Rien).
  Elles expriment deux etats seulement : Marche ou Arrêt.
  Elles peuvent donc bien être générées chacune par un bit d'un port de sortie d'une unité centrale.
  
  
• Un moteur, une résistance chauffante, une vanne peuvent être munis d'un contact qui permet d'indiquer si l'élément est actif ou non (Marche ou Arrêt).
  Elles émettent alors un signal électrique qui peut aboutir sur un bit d'un port d'entrée à une unité centrale (processeur).
  
  
• Une donnée à n bits peut représenter :
  • en entrée : n capteurs TOR
  • en sortie : n actionneurs TOR

Représentation de grandeurs analogiques
par des binaires à n bits

Beaucoup d'actionneurs et de capteurs de la partie opérative d'un automatisme
ne sont pas TOR, mais analogiques.

Exemples pour les actionneurs :
Contrôle d'une vitesse de manière progressive.
Modification progressive de l'intensité dans une résistance chauffante
pour faire varier la température.
etc.

L'information fournie pas certains capteurs peut être une tension variant continûment de V_min à V_max
pour indiquer une grandeur telle qu'une température, une vitesse, une distance, etc...

Une unité centrale d'ordinateur ne "sait" pas prendre en compte de telles tensions continues.

On fait alors appel à des circuits intégrés nommés
Convertisseurs Analogique-Numérique ( CAN : ADC Analog to Digital Converter)
qui transforment une tension continue fournie par un capteur analogique de la partie opérative
en des données binaires à n bits aceptables par l'UC,

Ou à des Convertisseurs Numérique-Analogique ( CNA : DAC Digital to Analog Converter)
qui transforment les données binaires fournies par l'UC
en tensions continues acceptables par les actionneurs de la partie opérative.



Ce sont des circuits d'interface disposés entre la partie commande et la partie opérative.
Voir ici un exposé plus détaillé sur ces questions :

Cependant, pour réaliser des systèmes ultra-miniaturisés tels que les téléphones mobiles par exemple,
on a développé des circuits intégrés contenant à la fois le processeur, les entrées et sorties T.O.R
et les convertisseurs CAN & CNA.