# Fonctionnement d'un ordinateur/Les circuits de masquage

Dans ce chapitre, nous allons voir les opérations bit à bit, un ensemble d'opérations qui appliquent une opération binaire sur un ou deux nombres. La plus simple d'entre elle est l'opération NON, aussi appelée opération de complémentation, qui inverse tous les bits d'un nombre. Il s'agit de l'opération la plus simple et nous en avions déjà parlé dans les chapitres précédents. Mais il existe des opérations bit à bit un chouia plus complexes, comme celles qui font un ET/OU/XOR entre deux nombres. Pour être plus précis, elles font un ET/OU/XOR entre les deux bits de même poids. L'exemple du OU bit à bit est illustré ci-dessous, les exemples du ET et du XOR sont similaires.
De telles opérations sont appelées bit à bit car elles combinent les bits de même poids de deux opérandes. Par contre, il n'y a pas de calculs entre bits de poids différents, les colonnes sont traitées indépendamment. Elles sont très utilisées en programmation, et tout ordinateur digne de ce nom contient un circuit capable d'effectuer ces opérations. Dans ce chapitre, nous allons voir divers circuits capables d'effectuer des opérations bit à bit, et voir comment les combiner.
Les opérations bit à bit classiques peuvent prendre une ou deux opérandes. La plupart en prenant deux comme les opérations ET/OU/XOR, l'opération NON en prend une seule. Les opérations bit à bit sur deux opérandes sont au nombre de 16, ce qui correspond au nombre de portes logiques à deux entrées possibles. Mais ce chiffre de 16 inclut les opérations bit à bit sur une opérande unique, qui sont au nombre de 4. Les opérations bit à bit sur une seule opérande sont plus simples à voir, nous verrons les opérations bit à bit à deux opérandes plus tard.

## Les opérations bit à bit à une opérande

Les opérations bit à bit n'ayant qu'une seule opérande sont au nombre de quatre :
* Mettre à zéro l'opérande (porte FALSE).
* Mettre à 11111...11111 l'opérande (porte TRUE).
* Inverser les bits de l'opérande (porte NON).
* Recopier l'opérande (porte OUI).
Dans ce qui va suivre, nous allons créer un circuit qui prend en entrée une opérande, un nombre, et applique une des quatre opérations précédente sur chacun de ses bits. On peut choisir l'opération voulue grâce à plusieurs bits de commande, idéalement deux. Le circuit est composé à partir de circuits plus simples, au maximum trois : un circuit qui inverse le bit d'entrée à la demande, un autre qui le met à 1, un autre qui le met à 0. Ces trois circuits ont une entrée de commande qui détermine s'il faut faire l'opération, ou si le circuit doit se comporter comme une simple porte OUi, qui recopie sont entrée sur sa sortie et ne fait donc aucune opération. Le circuit recopie le bit d'entrée si cette entrée est à 0, mais il inverse/set/reset le bit d'entrée si elle est à 1.
Pour comprendre comment concevoir ces circuits, il faut rappeler les relations suivantes, qui donnent le résultat d'un ET/OU/XOR entre un bit d'opérande noté a et un bit qui vaut 0 ou 1.
| | Opération | Interprétation du résultat |
| Porte ET | $a.0=0$ | Mise à zéro du bit d'entrée |
| Porte ET | $a.1=a$ | Recopie du bit d'entrée |
| Porte OU | $a+1=1$ | Mise à 1 du bit d'entrée |
| Porte OU | $a+0=a$ | Recopie du bit d'entrée |
| Porte XOR | $a\oplus 0=a$ | Recopie du bit d'entrée |
| Porte XOR | $a\oplus 1={\overline {a}}$ | Inversion du bit d'entrée |
Pour résumer ce qui va suivre :
* Le circuit de mise à 1 commandable est une porte simple OU.
* Le circuit d’inversion commandable est une simple porte XOR.
* Le circuit de Reset, qui permet de mettre à zéro un bit si besoin, est une porte ET un peu modifiée.

### Le circuit de mise à la valeur maximale

Dans cette section, nous allons voir un circuit qui prend en entrée un nombre et met sa sortie à la valeur maximale si une condition est respectée. Pour le dire autrement, le circuit va soit recopier l'entrée telle quelle sur sa sortie, soit la mettre à 11111...111. Le choix entre les deux situations est réalisé par une entrée Set de 1 bit : un 1 sur cette entrée met la sortie à la valeur maximale, un 0 signifie que l'entrée est recopiée en sortie.
La porte OU est toute indiquée pour cela. La mise à 1 d'un bit d'entrée demande de faire un OU de celui-ci avec un 1, alors que recopier un bit d'entrée demande de faire un OU de celui-ci avec un 0.
Ce circuit est utilisé pour gérer les débordements d'entier dans les circuits de calculs qui utilise l'arithmétique saturée (voir le chapitre sur le codage des entiers pour plus d'explications). Les circuits de calculs sont souvent suivis par ce circuit de mise à 111111...111, pour gérer le cas où le calcul déborde, afin de mettre la sortie à la valeur maximale. Évidemment, le circuit de calcul doit non seulement faire le calcul, mais aussi détecter les débordements d'entiers, afin de fournir le bit pour l'entrée Set. Mais nous verrons cela dans le chapitre sur les circuits de calcul entier.

### Le circuit de mise à zéro

Le circuit de Reset prend entrée le bit d'entrée, puis un bit de commande qui indique s'il faut mettre à zéro le bit d'entrée ou non. Le bit de commande en question est appelé le bit Reset. Si le signal Reset est à 1, alors on met à zéro le bit d'entrée, mais on le laisse intact sinon.
Le tableau ci-dessus nous dit que la porte ET est adaptée : elle recopie le bit d'entrée si le bit de commande vaut 1, et elle le met à 0 si le bit de commande vaut 0. Cependant, rappelons que l'on souhaite que le le circuit fasse un Reset si le bit de commande est à 1, pas 0, et la porte ET fait l'inverse. Pour corriger cela, on doit ajouter une porte NON. Le tout donne le circuit ci-dessous.
Un circuit qui met à zéro un nombre est composé de plusieurs circuits ci-dessus, à la différence que la porte NON est potentiellement partagée. Par contre, chaque bit est bien relié à une porte ET.

### L'inverseur commandable

Dans cette section, nous allons voir un inverseur commandable, un circuit qui, comme son nom l'indique, inverse les bits d'un nombre passé en entrée. Ce circuit inverse un nombre quand le bit de commande, souvent nommé Invert, vaut 1.
La porte XOR est toute indiquée pour, ce qui fait que le circuit d'inversion commandable est composé d'une couche de portes XOR, chaque porte ayant une entrée connectée au bit de commande.

### Le circuit qui combine les trois précédents

Voyons maintenant un circuit qui combine les trois circuits précédents. L'implémentation naïve met les trois circuits les uns à la suite des autres, ce qui donne pour chaque bit d'opérande trois portes logiques ET/OU/XOR en série. Le problème est qu'il faut préciser trois bits de commandes, alors qu'on peut en théorie se débrouiller avec seulement 2 bits. Il faut alors ajouter un circuit combinatoire pour calculer les trois bits de commande à partir des deux bits initiaux.
Mais il y a moyen de se passer d'une porte logique ! L'idée est que mettre à 0 et mettre à 1 sont deux opérations inverses l'une de l'autre. Mettre à 1 revient à mettre à 0, puis à inverser le résultat. Et inversement, mettre à 0 revient à mettre à 1 avant d'inverser le tout. Il suffit donc de mettre le circuit d'inversion commandable à la fin du circuit, juste après un circuit de mise à 0 ou de mise à 1, au choix. En faisant comme cela, il ne reste que deux portes logiques, donc deux entrées. En choisissant bien les valeurs sur l'entrée de commande, on peut connecter les entrées de commande directement sur les opérandes des deux portes, sans passer par un circuit combinatoire.

## Les opérations bit à bit à deux opérandes

Les opérations bit à bit à deux opérandes effectuent un ET, un OU, ou un XOR entre deux opérandes. Ici, le ET/OU/XOR se fait entre deux bits de même poids dans une opérande. Les circuits qui effectuent ces opérations sont assez simples, ils sont composés de portes logiques placées les unes à côté des autres. Il n'y a pas de possibilité de combiner des portes comme c'était le cas dans la section précédente.

### Les opérations de masquage

Il est intéressant de donner quelques exemples d'utilisation des opérations bit à bit ET/OU/XOR. L'utilité des opérations bit est bit est en effet loin d'être évidente. L'exemple que nous allons prendre est celui des opérations de masquage, très connue des programmeurs bas niveau. Leur but est de modifier certains bits d'un opérande, mais de laisser certains intouchés. Les bits modifiés peuvent être forcés à 1, forcés à 0, ou inversés.
Pour cela, on combine l'opérande avec un second opérande, qui est appelée le masque. Les bits à modifier sont indiqués par le masque : chaque bit du masque indique s'il faut modifier ou laisser intact le bit correspondant dans l'opérande. Le résultat dépend de l'opération entre masque et opérande, les trois opérations utilisées étant un ET, un OU ou un XOR.
Faire un ET entre l'opérande et le masque va mettre certains bits de l’opérande à 0. Les bits mis à 0 sont ceux où le bit du masque correspondant est à 0, tandis que les autres sont recopiés tels quels.
La même chose a lieu avec l'opération OU, sauf que cette fois-ci, certains bits de l'opérande sont mis à 1. Les bits mis à 1 sont ceux pour lesquels le bit du masque correspondant est un 1.
Dans le cas d'un XOR, les bits sont inversés. Les bits inversés sont ceux pour lesquels le bit du masque correspondant est un 1.
Pour donner un exemple d'utilisation, parlons des droits d'accès à un fichier. Ceux-ci sont regroupés dans une suite de bits : un des bits indique s'il est accessible en écriture, un autre pour les accès en lecture, un autre s'il est exécutable, etc. Bref, modifier les droits en écriture de ce fichier demande de modifier le bit associé à 1 ou à 0, sans toucher aux autres. Cela peut se faire facilement en utilisant une instruction bit à bit avec un masque bien choisie.
Un autre cas typique est celui où un développeur compacte plusieurs données dans un seul entier. Par exemple, prenons le cas d'une date, exprimée sous la forme jour/mois/année. Un développeur normal stockera cette date dans trois entiers : un pour le jour, un pour le mois, et un pour la date. Mais un programmeur plus pointilleux sera capable d'utiliser un seul entier pour stocker le jour, le mois et l'année. Pour cela, il raisonnera comme suit :
* un mois comporte maximum 31 jours : on doit donc encoder tous les nombres compris entre 1 et 31, ce qui peut se faire en 5 bits ;
* une année comporte 12 mois, ce qui tient dans 4 bits ;
* et enfin, en supposant que l'on doive gérer les années depuis la naissance de Jésus jusqu'à l'année 2047, 11 bits peuvent suffire.
Dans ces conditions, notre développeur décidera d'utiliser un entier de 32 bits pour le stockage des dates :
* les 5 bits de poids forts serviront à stocker le jour ;
* les 4 bits suivants stockeront le mois ;
* et les bits qui restent stockeront l'année.
Le développeur qui souhaite modifier le jour ou le mois d'une date devra modifier une partie des bits, tout en laissant les autres intacts. Encore une fois, cela peut se faire facilement en utilisant une instruction bit à bit avec un masque bien choisi.

### Les opérations pour tester un bit

Une opération assez courante teste si un bit précis vaut 0 ou 1 dans une opérande. Elle est implémentée, là encore, avec un masque. L'opération se fait en deux temps : on sélectionne le bit voulu avec un masque, on teste la valeur du résultat. Pour sélectionner le bit voulu, il suffit de mettre tous les autres bits à 0, grâce au masque adéquat. Le résultat de l'opération met tous les autres bits à 0. Il reste alors à comparer le résultat obtenu avec 0. Si le résultat vaut 0, c'est que le bit sélectionné valait 0. Sinon, le bit testé valait 1.
Tester la valeur d'un bit peut se faire avec un circuit assez simple, lui-même composé de trois sous-circuits. Le premier circuit génère le masque, le second fait un ET entre le masque et l'opérande, le troisième compare le résultat avec 0.
Le circuit de comparaison avec zéro est une simple porte OU à plusieurs entrées. Si l'entrée vaut 0, le OU fournira un 0 en sortie. Mais si le bit testé va 1, le résultat après application du masque contiendra un 1. Ce qui fait qu'une entrée du OU sera à 1, ce qui implique une sortie à 1. La difficulté est de créer le circuit de génération du masque, ce qu'on ne peut pas faire à ce point du cours. Par contre, nous sauront le faire au chapitre suivant.

### Les portes logiques universelles à deux entrées

Dans cette section, nous allons voir comment créer un circuit capable d'effectuer plusieurs opérations logiques, le choix de l'opération étant le fait d'une entrée de commande. Par exemple, imaginons un circuit capable de faire à la fois un ET, un OU, un XOR et un NXOR. Le circuit contiendra une entrée de commande de 2 bits, et la valeur sur cette entrée permet de sélectionner quelle opération faire : 00 pour un ET, 01 pour un OU, 11 pour un XOR, 01 pour le NXOR Nous allons créer un tel circuit, sauf qu'il est capable de faire toutes les opérations entre deux bits et regroupe donc les 16 portes logiques existantes. Nous allons aussi voir la même chose, mais pour les portes logiques de 1 bit.
Sachez qu'avec un simple multiplexeur, on peut créer un circuit qui effectue toutes les opérations bit à bit possible avec deux bits. Et cela a déjà été utilisé sur de vrais ordinateurs. Pour deux bits, divers théorèmes de l’algèbre de Boole nous disent que ces opérations sont au nombre de 16, ce qui inclus les traditionnels ET, OU, XOR, NAND, NOR et NXOR. Voici la liste complète de ces opérations, avec leur table de vérité ci-dessous (le nom des opérations n'est pas indiqué) :
* Les opérateurs nommés 0 et 1, qui renvoient systématiquement 0 ou 1 quel que soit l'entrée ;
* L'opérateur OUI qui recopie l'entrée a ou b, et l'opérateur NON qui l'inverse : $a$, $b$, ${\overline {a}}$, ${\overline {b}}$ ;
* L’opérateur ET, avec éventuellement une négation des opérandes : $a.b$, ${\overline {a}}.b$, $a.{\overline {b}}$, ${\overline {a.b}}$ ;
* La même chose avec l’opérateur OU : $a+b$, ${\overline {a}}+b$, $a+{\overline {b}}$, ${\overline {a+b}}$ ;
* Et enfin les opérateurs XOR et NXOR : $a\oplus b$, ${\overline {a\oplus b}}$.
| a | b | | $0$ | $a.b$ | $a.{\overline {b}}$ | $a$ | ${\overline {a}}.b$ | $b$ | $a\oplus b$ | $a+b$ | ${\overline {a.b}}$ | ${\overline {a\oplus b}}$ | ${\overline {b}}$ | $a+{\overline {b}}$ | ${\overline {a}}$ | ${\overline {a}}+b$ | ${\overline {a+b}}$ | $1$ |
| 0 | 0 | - | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | - | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | - | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | - | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
Le circuit à concevoir prend deux bits, que nous noterons a et b, et fournit sur sa sortie : soit a ET b, soit a OU b, soit a XOR b, etc. Pour sélectionner l'opération, une entrée du circuit indique quelle est l'opération à effectuer, chaque opération étant codée par un nombre. On pourrait penser que concevoir ce circuit serait assez complexe, mais il n'en est rien grâce à une astuce particulièrement intelligente. Regardez le tableau ci-dessus : vous voyez que chaque colonne forme une suite de bits, qui peut être interprétée comme un nombre. Il suffit d'attribuer ce nombre à l'opération de la colonne ! En faisant ainsi, le nombre attribué à chaque opération contient tous les résultats de celle-ci. Il suffit de sélectionner le bon bit parmi ce nombre pour obtenir le résultat. Et on peut faire cela avec un simple multiplexeur, comme indiqué dans le schéma ci-dessous !
Il faut noter que le raisonnement peut se généraliser avec 3, 4, 5 bits, voire plus ! Par exemple, il est possible d'implémenter toutes les opérations bit à bit possibles entre trois bits en utilisant un multiplexeur 8 vers 3.
Maintenant que nous sommes armés des portes logiques universelles, nous pouvons implémenter un circuit généraliste, qui peut effectuer la même opération logique sur tous les bits. Ce circuit est appelé une unité de calcul logique. Elle prend en entrée deux opérandes, ainsi qu'une entrée de commande sur laquelle on précise quelle opération il faut faire. Elle est simplement composée d'autant de portes universelles 2 bits qu'il n'y a de bits dans les deux opérandes. Par exemple, si on veut un circuit qui manipule des opérandes 8 bits, il faut prendre 8 portes universelles deux bits. Toutes les entrées de commande des portes sont reliées à la même entrée de commande.