L'ordinateur est une machine électronique capable de recevoir, traiter, mémoriser et transmettre des informations. Il exécute des programmes qui décrivent les opérations à réaliser et utilise pour cela des circuits électroniques capables de traiter des informations numériques.

Un ordinateur peut manipuler des nombres, du texte, des images, des sons ou des vidéos. Toutes ces informations sont finalement représentées sous une forme numérique afin d'être stockées et traitées par les circuits de la machine.

Le processeur

Au centre du fonctionnement de l'ordinateur se trouve le microprocesseur, également appelé CPU (Central Processing Unit). Il lit les instructions des programmes, effectue des opérations arithmétiques et logiques et coordonne une grande partie des échanges entre les différents composants.

Un processeur contient plusieurs cœurs. Chaque cœur peut exécuter des instructions, ce qui permet à plusieurs tâches de progresser simultanément. Les processeurs modernes intègrent également différents niveaux de mémoire cache et des unités spécialisées destinées à accélérer certaines opérations.

Le processeur fonctionne selon un cycle permanent : il récupère une instruction, la décode, exécute l'opération demandée puis passe à la suivante. Des milliards de cycles peuvent être réalisés chaque seconde.

La mémoire vive

Le processeur ne peut pas conserver toutes les données dont il a besoin directement dans ses unités de calcul. Il utilise donc une mémoire vive, ou RAM (Random Access Memory).

La RAM contient temporairement les programmes et les données utilisés par le système. Elle est beaucoup plus rapide qu'un stockage permanent, mais elle perd son contenu lorsque l'ordinateur est éteint.

Plusieurs niveaux de mémoire cache sont également intégrés au processeur. Ils conservent les instructions et les données fréquemment utilisées afin de limiter les accès à la RAM, plus éloignée et plus lente.

Le stockage

Les données qui doivent être conservées lorsque l'ordinateur est éteint sont enregistrées dans une mémoire non volatile. Les ordinateurs modernes utilisent principalement des SSD, tandis que les disques durs restent présents dans certaines machines.

Un SSD utilise de la mémoire Flash et ne possède pas de pièces mécaniques en mouvement. Il offre généralement des temps d'accès beaucoup plus faibles qu'un disque dur.

Le stockage contient notamment le système d'exploitation, les applications et les fichiers personnels. Lorsqu'un programme est lancé, les données nécessaires sont transférées vers la RAM afin que le processeur puisse y accéder rapidement.

La carte mère

La carte mère constitue la principale carte électronique de l'ordinateur. Elle accueille ou relie le processeur, la mémoire, les dispositifs de stockage et différents circuits de communication.

Elle contient de nombreuses pistes conductrices et des connecteurs permettant aux composants d'échanger des informations et de recevoir leur alimentation électrique.

Les échanges de données sont organisés par différentes interfaces. Certaines relient directement le processeur à la mémoire, tandis que d'autres permettent de communiquer avec les périphériques et les composants d'extension.

Les échanges de données

Les informations circulent entre les différents composants sous forme de signaux électriques. Les circuits numériques interprètent ces signaux comme des suites de bits.

Les connexions numériques transportent simultanément de nombreuses informations selon des protocoles précis. La quantité de données pouvant être transférée pendant une seconde dépend notamment de la largeur de l'interface, de sa fréquence de fonctionnement et de son mode de transmission.

Le processeur peut ainsi récupérer des données dans la mémoire, envoyer des informations vers un périphérique ou recevoir le résultat d'une opération réalisée par un autre circuit.

Le processeur graphique

Le processeur graphique, ou GPU (Graphics Processing Unit), est spécialisé dans le traitement d'un grand nombre d'opérations nécessaires à la génération des images.

Il calcule notamment les informations nécessaires à l'affichage des interfaces, des photographies, des vidéos ou des scènes tridimensionnelles. Son architecture est particulièrement adaptée aux calculs pouvant être effectués simultanément sur de nombreuses données.

Selon l'ordinateur, le GPU peut être intégré au même circuit que le processeur ou installé sur une carte graphique distincte disposant de sa propre mémoire.

Les circuits spécialisés

Un ordinateur peut également utiliser des circuits spécialisés pour certaines fonctions. Des composants peuvent prendre en charge le traitement du son, la communication réseau, le chiffrement, la compression ou encore certaines opérations liées à l'image et à la vidéo.

Cette spécialisation permet d'exécuter certaines opérations plus rapidement et avec une consommation énergétique inférieure à celle d'un traitement entièrement réalisé par le processeur généraliste.

Les périphériques d'entrée

Les périphériques d'entrée permettent à l'ordinateur de recevoir des informations provenant de l'utilisateur ou de son environnement.

Un clavier transforme les pressions exercées sur ses touches en informations numériques. Une souris transmet les déplacements et les clics. Un microphone transforme les sons en signaux électriques qui sont ensuite convertis en données numériques. Un scanner transforme une image physique en données exploitables par l'ordinateur.

D'autres équipements peuvent fournir des informations à la machine, comme une caméra, une tablette graphique ou différents capteurs.

Les périphériques de sortie

Les périphériques de sortie transforment les résultats numériques produits par l'ordinateur en informations perceptibles ou exploitables.

Un écran transforme les données d'image en lumière produite par ses pixels. Les haut-parleurs convertissent des données audio en vibrations produisant des sons. Une imprimante transforme quant à elle des informations numériques en une représentation physique sur papier ou sur un autre support.

Les connexions

Les ordinateurs possèdent différents ports et interfaces permettant de connecter des périphériques et des équipements externes.

L'USB permet notamment de connecter des périphériques et de transférer des données tout en pouvant fournir leur alimentation électrique. L'HDMI transporte des signaux audio et vidéo numériques vers un écran ou un autre équipement audiovisuel. L'Ethernet permet une connexion réseau filaire.

Des connexions sans fil peuvent également être utilisées. Le Wi-Fi relie l'ordinateur à un réseau local et à Internet, tandis que le Bluetooth permet notamment de communiquer avec des périphériques proches.

Le système d'exploitation

Le système d'exploitation constitue l'intermédiaire logiciel entre les applications et le matériel. Windows, Linux et macOS sont des exemples de systèmes d'exploitation utilisés sur les ordinateurs.

Il gère notamment les processus, la mémoire, les fichiers, les périphériques et les communications entre les différents logiciels. Lorsqu'une application demande l'accès à un fichier ou à un périphérique, le système d'exploitation organise l'opération avec le matériel concerné.

Cette organisation permet à plusieurs applications de fonctionner simultanément tout en partageant les ressources de la machine.

Le fonctionnement d'un programme

Lorsqu'un utilisateur lance une application, le programme est chargé depuis le stockage vers la mémoire vive. Le processeur peut alors récupérer ses instructions et les exécuter.

Pendant son fonctionnement, l'application peut demander des données au stockage, utiliser des ressources graphiques, recevoir des informations provenant d'un clavier ou d'un réseau et produire des résultats destinés à l'écran ou à d'autres périphériques.

Le système d'exploitation répartit les ressources disponibles entre les différents programmes afin qu'ils puissent fonctionner simultanément.

Les ordinateurs spécialisés

Tous les ordinateurs ne sont pas conçus pour les mêmes usages. Un ordinateur personnel privilégie généralement la polyvalence et l'interaction avec l'utilisateur. Un serveur est conçu pour fournir des services et traiter les demandes de nombreux appareils.

Un supercalculateur rassemble quant à lui un très grand nombre de processeurs et d'accélérateurs afin de réaliser des calculs scientifiques particulièrement lourds.

Les ordinateurs embarqués sont conçus pour être intégrés directement dans d'autres systèmes. On en trouve dans les automobiles, les avions, les satellites, les machines industrielles et de nombreux appareils électroniques.

La consommation et le refroidissement

Les circuits électroniques consomment de l'énergie lorsqu'ils fonctionnent. Une partie de cette énergie est transformée en chaleur, particulièrement lorsque le processeur et les autres circuits travaillent intensivement.

Les ordinateurs suffisamment puissants utilisent donc des systèmes de refroidissement. Un dissipateur thermique peut évacuer la chaleur du processeur vers l'air, tandis qu'un ventilateur accélère la circulation de cet air. Les machines très puissantes utilisent également des systèmes de refroidissement liquide.

La gestion de l'énergie et de la température est essentielle pour maintenir les performances des circuits et éviter qu'ils ne dépassent leur température de fonctionnement prévue.

Les différentes formes d'ordinateurs

Les mêmes principes fondamentaux se retrouvent dans des machines très différentes. Un ordinateur de bureau dispose généralement de composants séparés et facilement accessibles. Un ordinateur portable regroupe davantage de fonctions dans un volume réduit afin de limiter le poids et la consommation.

Les serveurs privilégient la capacité de traitement, le stockage et la disponibilité, tandis que les supercalculateurs regroupent un très grand nombre d'unités de calcul. Les ordinateurs embarqués sont au contraire conçus autour des contraintes propres au système dans lequel ils sont intégrés.

Malgré ces différences, tous reposent sur la même organisation générale : des circuits numériques traitent les informations, des mémoires les conservent temporairement ou durablement, des interfaces assurent les échanges et des logiciels déterminent les opérations à effectuer.