De la théorie à la pratique
Les machines, les portes logiques et les bits
Le petit salon, la marquise et le comte Le petit salon, la marquise et le comte
"Il faut qu’une porte soit ouverte ou fermée" disait la marquise au comte dans la pièce éponyme d'Alfred de Musset. Une affaire de coeur s'y réglait, ponctuée de refroidissement et de réchauffement selon que le comte ouvrait ou fermait la porte d'entrée du petit salon de la marquise pour faire mine de sortir.

L'auteur aurait-il eu la prémonition du fonctionnement de nos ordinateurs au coeur desquels l'ouverture et la fermeture des portes logiques (ET, OU..) pose aussi des problèmes de refroidissement. C'est fort peu probable, mais la coïncidence est amusante.

Musset, Babbage, Boole, nous sommes toujours au milieu du 19e siècle. Les principes qui vont permettre la naissance de l'informatique sont là, mais dans la pratique on en est encore très loin.

Arithmomètre Arithmomètre
Deux types de matériel vont alors évoluer : Les machines à calculer d'une part et les montages électriques permettant de réaliser les portes logiques d'autre part. Plus tard, ce sont les principes de la programmation des machines qui va elle même progresser. Et le tout aboutira, après un siècle d'évolution, à la construction des premiers ordinateurs dignes de ce nom.

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Pour les machines à calculer, nous en étions restés à la Pascaline. Malgré diverses tentatives d'amélioration, notamment par Leibniz, elles durent attendre 1854 pour redevenir à la mode. Entre temps, les tables de logarithmes introduites par John Napier en 1614 ainsi que les règles à calcul inventées par William Oughtred en 1622 suffisaient à faire le bonheur des mathématiciens et des physiciens.

En 1820 Thomas de Colmar invente l'Arithmomètre. Il le perfectionne en 1851 et son invention devient la première machine à calculer commercialisée. C'est pendant cette période que Charles Babbage travaillait à ses machines analytiques.

Arithmomètre Logo d'IBM de 1924 à 1946
En 1890, pour les besoins du recensement américain, un nouveau type de machines fit son apparition. C'est le début de la mécanographie qui utilise des moteurs électriques et des tabulatrices qui "lisent" des cartes perforées. Elles excellent dans le traitement des statistiques. Les premières imprimantes apparaissent en 1920 facilitant le relevé des résultats.

Sur ce marché, deux firmes, la Computing Scale Company et la Tabulating Machine Company, fusionnent le 16 juin 1911 sous le nom de Computing Tabulating Recording Company. Cette dernière changera de nom le 14 février 1924 pour devenir International Business Machines Corporation. Autrement dit IBM.

C'est en 1937, que l'un de ses plus brillants ingénieurs, Howard Aiken convainquit IBM de se lancer dans le développement de machines inspirées des travaux de Charles Babbage. Convaincu par ses arguments, IBM entreprit la construction et la mise sur le marché de l'Harvard Mark I, un calculateur ne stockant pas d'instructions en mémoire, mais pouvant grâce à des câblages similaires à ceux des tabulatrices effectuer des séquences de calculs complexes.


Claude Elwood Shannon Claude Elwood Shannon
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En ce qui concerne les opérations logiques, Babbage se servait de roues dentées. Avec l'électricité, il devint possible de les réaliser avec des composants de moins en moins encombrants et d'obtenir des résultats sous la forme de valeurs élémentaires, nos fameux 0 et 1 correspondants à l'absence ou à la présence d'un courant électrique.

C'est en 1891 qu'Almon Strowger, un entrepreneur de pompes funèbres, déposa le premier un brevet pour un appareil contenant un commutateur basé sur une porte logique. Ce commutateur était destiné à établir une liaison entre deux abonnés d'un central téléphonique. Nicolas Tesla, célèbre pour avoir développé et finalement imposé le courant alternatif pour le transport et la distribution de l'électricité, déposa également des brevets de ce type.

À l'époque, ces portes logiques étaient basées sur des relais électromagnétiques. Il furent rapidement remplacés par des tubes à vide, et c'est Lee De Forest qui, en 1907, les utilisa comme porte logique ET. Walther Bothe, créa la première porte logique ET électronique moderne en 1924. Il reçut le prix Nobel de physique pour cette invention en 1954. Enfin, Claude Elwood Shannon introduisit l'utilisation de l'algèbre de Boole dans la conception de circuits en 1937.

Mais, tous ces systèmes étant volumineux, il a fallu l'invention du transistor par John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs aux laboratoires Bell pour, de miniaturisation en miniaturisation, atteindre les performances actuelles : environ deux milliards de transistors sur moins de 1 cm². Deux milliards, là où il n'était même pas envisageable en 1907 de placer ne serait-ce qu'un seul tube à vide !

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Portes à  base de NAND La porte NOT est obtenue en alimentant les 2 entrées A et B par une seule, ici A. En sortie du circuit NAND on obtient donc NON A. AND s'obtient tout simplement en inversant une porte NAND, YES s'obtient en mettant deux NOT à la suite, etc., etc.
Pour arriver à ces performances, il a fallu employer toutes les ruses. Une d'entre elles concerne la porte NON ET (NAND).

Peut-être vous êtes-vous demandé pourquoi, dans la page "Êtes vous au courant ?" la porte NAND n'était pas de la même couleur que les autres. Hé bien, c'est le moment de vous révéler un des petits secrets de nos puces électroniques. Il se trouve que la porte NAND a ceci de particulier qu'elle est très facile à fabriquer, qu'elle ne prend pas beaucoup de place, qu'elle est très économique et, Ô miracle, qu'avec elle on peut construire facilement toutes les autres portes logiques comme vous pouvez le voir sur l'illustration ci-contre.

Bon, pour les opérateurs booléens, on a les noms, AND, OR, NAND... Très bien. Mais pour les valeurs en entrée et en sortie, nos 0 et nos 1, va-t-on les appeler "chiffres binaires utilisés en informatique", c'est un peu long, non ? C'est là qu'intervient John Tukey un des plus grands statisticiens du XXe siècle. C'est lui qui a fait adopté en 1948 le terme "bit", mot qui signifie "morceau" et qui se trouve être, par le plus grand des hasards, la contraction de "BInary digIT" qui signifie chiffres binaires.

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Comme on l'a vu précédemment, des alignements de bits, genre 11001000110011101011000101, c'est assez indigeste, aussi, le système hexadécimal va venir à notre secours. C'est ce que nous verrons dans le prochain thème.

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