Automates et machines ` a calcul

Les premi`eres machines `a calculer [11] connues furent con¸cues par Wilhelm Schikard (1592-1635) (≈1623), Blaise Pascal (≈ 1642) et Gottfried Wilhelm Leibnitz (1646-1716) (≈1673) : elles effectuent leurs op´erations en base 10 `a l’aide d’un m´ecanisme `a roues dent´ees. L’enchaˆınement des calculs est laiss´e

`a la charge de l’utilisateur. C’est ce souci d’automatisation d’une suite de traitements qui conduira `a la conception des ordinateurs.

L’enchaˆınement de tˆaches simples ´etait d´ej`a mis en œuvre pour la r´eali-sation de boˆıtes `a musique, orgues de Barbarie, pianos m´ecaniques dans lesquels tambours munis d’ergots, syst`emes de cames et bandes perfor´ees d´eterminaient la m´elodie. Le m´etier `a tisser de Joseph-Marie Jacquard (1752-1834) est le plus c´el`ebre de ces automates. Un ensemble de cartes perfor´ees indique la s´equence d’op´erations ´el´ementaires `a ex´ecuter : chaque trou permet le passage d’une aiguille, et le t´etra`edre qui supporte les cartes tourne au rythme de la navette. Introduite dans les ann´ees 1804-1805, son invention fut d´eclar´ee d’utilit´e publique en 1806. En 1812 on comptait 11000 m´etiers `a tisser de ce type en France [1]. On en trouve encore en fonction chez des artisans de la r´egion lyonnaise.

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Figure1.1 : La pascaline de Blaise Pascal

Ce syst`eme laisse entrevoir ce que seront les dispositifs `a base d’automates programmables ou de calculateurs d´edi´es `a la commande de processus indus-triels : la notion deprogramme´etait n´ee.

Charles Babbage (1792-1871) est le premier `a entreprendre la r´ealisation d’une machine associant automate et machine `a calculer. Ayant d´ej`a con¸cu une calculatrice, la “machine diff´erentielle” (Difference Engine) que l’on peut voir au Mus´ee des Sciences `a Londres, il pr´esenta, dans un s´eminaire tenu `a Turin en 1841, un projet de machine plus universelle. La collaboration de Ada de Lovelace (n´ee Byron) permit d’aboutir `a une description plus d´etaill´ee et am-bitieuse d’une machine pr´efigurant nos ordinateurs modernes. Cette machine, appel´eemachine analytique[20], enchaˆıne des op´erations arithm´etiques de fa¸con autonome. Comme le m´etier `a tisser de Jacquard, elle est pilot´ee par une bande perfor´ee. C’est sur cette “bande-programme” que l’utilisateur d´ecrit la s´equence des op´erations que doit effectuer la machine. La bande est introduite dans la machine `a chaque nouvelle ex´ecution. En effet, si la machine de Babbage est capable de m´emoriser des r´esultats interm´ediaires, elle ne dispose d’aucun moyen pour m´emoriser les programmes dont le support est toujours externe. On parle donc de machine `aprogramme ext´erieur. Dans cette machine apparaissent les notions de m´emoire(appel´ee par Babbage lemagasin) et deprocesseur(le moulin). Un autre ´el´ement peut y ˆetre mis en ´evidence : contrairement `a ce qui

´etait fait jusque-l`a, les aiguilles actionn´ees suivant la pr´esence, ou l’absence, de trous dans la bande perfor´ee n’actionnent pas directement les organes de sortie. Dans un orgue de Barbarie, une note est associ´ee `a chaque trou de la bande : on sch´ematise cela en disant que la sortie y est logiquement ´egale `a l’entr´ee. Par contre, dans la machine de Babbage on peut d´ej`a parler decodage de programme et de donn´ees.

A la lumi`ere de ce que l’on connaˆıt des machines modernes, on va ap-porter quelques remarques sur la r´ealisation de la machine de Babbage et sur la repr´esentation et la manipulation des informations en machine. On distingue trois entit´es de nature diff´erente :

Bande

programme Automate

Magasin Calcul Moulin (processeur)

Figure1.2 : La machine analytique de Babbage

− la partie automate-calculatrice,

− les donn´ees,

− et le programme.

Si chaquepistede la bande perfor´ee porte des informations de type “logique”

- pr´esence ou absence de trou - il n’en va pas de mˆeme, ni pour l’automate qui est purement m´ecanique, ni pour la partie calcul qui fonctionne sur des repr´esentations en base 10.

Lors du recensement de 1890 aux Etats-Unis, recensement concernant 62 millions de personnes, la n´ecessit´e d’un traitement automatique des informa-tions s’imposa d’elle-mˆeme. Herman Hollerith (1860-1929) d´ecida d’utiliser le syst`eme de cartes perfor´ees d´ej`a utilis´e par certaines soci´et´es ferroviaires des USA. La dimension des cartes ´etait de 7,375” ×3,25”. La l´egende veut que cela corresponde `a la taille du billet d’un dollar de l’´epoque. La soci´et´e cr´e´ee par Herman Hollerith, la Tabulating Machine Company, ´evoluera en 1924 en International Business Machines(IBM).

Figure1.3 : Une carte perfor´ee : chaque caract`ere est cod´e selon le code “Hollerith”

En 1937 Howard Aiken de l’Universit´e de Harvard propose `a IBM de construire un calculateur g´eant `a partir des dispositifs m´ecaniques et

´electrom´ecaniques utilis´es pour les machines `a cartes perfor´ees. La machine a ´et´e compl´et´ee en 1943. Elle pesait 5 tonnes, comportait des “accumulateurs”

capables de m´emoriser 72 chiffres d´ecimaux et pouvait multiplier deux nombres de 23 unit´es en 6 secondes. Elle ´etait contrˆol´ee par des instructions cod´ees sur un ruban de papier perfor´e.

Figure1.4 : Bande perfor´ee

Malgr´e les connaissances acquises depuis Babbage, cette machine ne poss´edait pas la capacit´e de traiter des instructions conditionnelles. Mais elle ajoutait `a la machine de Babbage une horloge pour contrˆoler les s´equences d’op´erations, et des registres, sortes de m´emoires temporaires pour enregistrer des informations.

Autre pr´ecurseur, le Robinson, con¸cu en Angleterre pendant la seconde guerre mondiale. Celui-ci ´etait utilis´e pour le d´ecodage des messages chiffr´es

´emis par l’arm´ee allemande sur les machinesEnigma.