Avant-propos

Ce manuel a été rédigé en fonction de deux objectifs distincts mais reliés. Le premier objectif était de produire un manuel de qualité, en français, sur un sujet fondamental en électronique numérique et d’en faire une Ressource éducative libre (REL). Une recherche préalable nous avait en effet permis de constater qu’il existe peu de manuels récents de ce type sur le sujet. En offrant une telle ressource à la communauté, nous souhaitons contribuer à rendre plus accessible la formation dans ce domaine technologique important.

Le deuxième objectif était de mettre au point et d’expérimenter avec une méthode de travail conçue spécifiquement pour faciliter l’élaboration de telles ressources éducatives en faisant appel à un ensemble d’outils libres et universellement accessibles. Un élément clé de ce processus est de s’assurer de pouvoir obtenir un document ou un ensemble de documents sources permettant de faciliter la réutilisation, la révision et le remixage. Le manuel a donc joué le rôle de matériel d’expérimentation et de preuve de concept pour le processus d’élaboration qui a été mis au point.

En plus de rendre l’éducation plus accessible, une ressource éducative libre se prête particulièrement bien à l’expérimentation avec une variété d’approches pédagogiques qui permettront d’adapter et de rapprocher le contenu de son destinataire ultime, l’apprenant. On peut donc en espérer plus (de succès dans l’apprentissage) pour moins (d’investissement pécuniaire).

Pour être qualifiée de libre, une ressources éducative doit être conçue, réalisée et distribuée sous un régime de protection (licence) de façon à faciliter les cinq activités en R: Retenir (retain), Réutiliser (reuse), Réviser (revise), Remixer (remix), Redistribuer (redistribute).

Retenir:

faire, posséder, contrôler une copie de la ressource (par ex., télécharger et conserver sa propre copie)

Réutiliser:

utiliser publiquement une copie (originale, révisée ou remixée) de la ressource (par ex., sur un site web ou en classe)

Réviser:

éditer, adapter, modifier une copie de la ressource (par ex., la traduire dans une autre langue)

Remixer:

combiner une copie originale ou révisée de la ressource avec d’autres ressources existantes pour créer quelque chose de nouveau (par ex., créer une oeuvre composite (mashup))

Redistribuer:

partager des copies (originales, révisées ou remixées) de la ressource avec d’autres (par ex., donner une copie à un ami)

Si l’utilisation d’une licence libre confère le droit légal de réaliser l’une ou l’autre des activités en R, il importe de s’assurer que les formats utilisés pour distribuer le contenu de la ressource ne constituent pas en pratique un frein à l’exercice de ce droit. Dans cet esprit, le manuel, et particulièrement les documents sources utilisés pour le créer, sont distribués sous une variété de formats ouverts qui devraient en faciliter l’adaptation, la réutilisation, la révision et le remixage. Ces documents sources sont accessibles via le dépôt Github https://github.com/gbegin/circuits_logiques/. Le dépôt comporte également des transparents pouvant être utilisés comme supports d’enseignement.

Ce manuel s’adresse tout particulièrement aux étudiants qui suivent un enseignement technique, ou un premier cycle universitaire, ainsi qu’à tous ceux qui s’intéressent à l’ingénierie électronique. Le lecteur n’a besoin d’aucune connaissance préalable pour pouvoir en assimiler les concepts, mais une connaissance de la programmation permettra de pousser l’expérimentation par simulation. Les notions couvertes par le manuel sont typiquement enseignées dans les programmes d’études en génie électrique, en génie informatique, voire, en informatique: en première année au niveau universitaire premier cycle, et de façon moins approfondie, dans les programmes de formation technique correspondants. Puisque ces notions sont relativement universelles, moyennant une modeste adaptation terminologique, le manuel pourra intéresser les étudiants de partout dans le monde francophone.

Une recherche menée sur les principaux répertoires de REL pour une ressource comparable, libre d’accès et en français, n’a pas permis de trouver d’équivalent. Les manuels habituellement utilisés pour l’enseignement de cette matière, publiés le plus souvent en anglais, sont très coûteux.

Pour être utile à tous les groupes d’utilisateurs visés, le manuel et les ressources associées doivent pouvoir être offerts sur une variété de supports qui permettent de maximiser la diffusion et faciliter l’inclusion d’activités complémentaires (auto-tests, fichiers de simulation, etc.), tout en maintenant la cohérence de l’ensemble.

Ce manuel est une introduction au domaine de la conception des circuits logiques, qui sont à la base de tous les systèmes électroniques numériques, des plus simples au plus complexes. Les objectifs du manuel reflètent une approche pédagogique inclusive, progressive et pratique de l’enseignement de l’ingénierie électronique. Le contenu, conçu pour s’adapter aussi bien aux environnements technologiquement avancés qu’aux méthodes d’enseignement plus traditionnelles, est aligné aux objectifs pédagogiques du cours d’introduction MIC1065 Circuits logiques https://etudier.uqam.ca/cours?sigle=MIC1065 qui est enseigné à l’UQAM depuis plusieurs dizaines d’années. Il est possible de l’adapter à tout cours d’introduction de niveau comparable.

L’analyse des objectifs pédagogiques a permis d’élaborer un découpage des matières progressif et accessible. Comme il s’agit d’une introduction sans préalables au domaine, la présentation du matériel commence avec les concepts fondamentaux mais relativement simples de la logique binaire, de l’algèbre de Boole et des tableaux de vérité. Ces notions peuvent être assimilées sans même référer aux dispositifs électroniques qui seront utilisés plus tard.

Par la suite, on voit comment les opérations logiques peuvent être mises en oeuvre au moyen de dispositifs électroniques, en augmentant progressivement le niveau de complexité: d’abord avec des portes logiques simples, puis avec des dispositifs combinatoires plus complexes.

On aborde en deuxième partie les circuits logiques séquentiels dont le comportement doit être analysé en tenant compte de la notion d’état, qui introduit la complexité supplémentaire d’un fonctionnement qui varie avec le temps.

En exposant en premier lieu les techniques d’analyse des systèmes logiques (combinatoires ou séquentiels), et en étudiant de nombreux types de circuits logiques classiques, il est possible de passer à des échelons éducationnels supérieurs en abordant dans un deuxième temps le défi de faire la conception des systèmes logiques en vue de répondre à des besoins exprimés par les utilisateurs. On aborde ainsi les dimensions créatives qui sont au coeur du travail du concepteur de circuits logiques.

En troisième partie, la modélisation formelle et la simulation des systèmes logiques ouvre finalement la porte à des options d’expérimentation qui permettront de consolider les notions abordées, et de s’intéresser aux techniques modernes permettant de faire la conception, la simulation, voire, la synthèse de systèmes logiques complexes en exploitant notamment l’encapsulation et le découpage hiérarchique.

Dans tout le manuel, les objectifs d’apprentissage sont présentés clairement au début de chaque chapitre. En fin de chapitre, des exercices et activités d’auto-évaluation offriront une rétroaction rapide aux apprenants. Dans l’optique de pouvoir s’adapter autant à des environnements technologiquement riches qu’à des usages plus traditionnels (avec manuel imprimé ou document pdf), des exercices (dont certains avec solutions) sont fournis à la fin du manuel pour faciliter l’auto-évaluation des apprentissages. Un effort spécial est fait pour s’assurer de produire du matériel accessible, quel que soit le médium final.

Le manuel propose également des options de logiciels libres d’accès pour pouvoir effectuer la spécification, la modélisation et la simulation de systèmes logiques, et ce à différents niveaux d’abstraction. Ces options permettent à pratiquement tous les lecteurs, quelles que soient leur ressources financières, de mettre en pratique les notions présentées dans le manuel. Comme les outils logiciels effectivement utilisés pour produire le manuel et le matériel qu’il comporte (schémas, exemples, modèles, simulations, etc.) sont libres d’accès, les apprenants pourront s’en inspirer et s’approprier ces logiciels qui deviendront dans leurs mains des outils d’auto-apprentissage qui leur permettront de pousser encore plus loin leurs apprentissages.

Les chapitres 1 à 3 sont consacrés aux concepts de base de la logique binaire et des systèmes de numération. Ces notions sont présentées d’un point de vue relativement abstrait qui n’est pas étranger au fait que la logique binaire mise en oeuvre dans les circuits numériques modernes est fondée sur des principes mathématiques, voire philosophiques établis bien longtemps avant l’avènement de l’électronique.

Dans les trois chapitres suivants, on voit comment la logique peut s’incarner dans des dispositifs électroniques: d’abord avec des portes logiques simples (chapitre 4), et plus avant, avec des dispositifs combinatoires plus complexes (chapitre 6). On présente également les approches permettant de simplifier les circuits logiques combinatoires, c’est-à-dire ceux dont le comportement ne dépend pas du temps (chapitre 5).

Les circuits logiques séquentiels, qui, eux comportent de la mémoire, sont considérés ensuite. On présente d’abord les loquets et bascules, composants de base des circuits séquentiels (chapitre 7), puis on aborde l’analyse (chapitre 8) et la conception (chapitre 9) de circuits séquentiels synchrones. Le chapitre 10 présente de nombreux types de circuits séquentiels typiques, alors que le chapitre 11 est consacré aux différents types de mémoires.

Le chapitre 12 offre une brève introduction aux dispositifs logiques programmables qui amènent les circuits logiques à un autre degré de flexibilité et d’intégration.

Dans les chapitres 13 et 14, on s’intéresse à la modélisation de circuits, en introduisant le langage descriptif VHDL, qui permet de décrire formellement des circuits logiques pour en faire la conception, la simulation, voire, la synthèse.

Le manuel se conclut avec des séries d’exercices (chapitre 15) qui permettront de mettre en pratique les notions abordées.

Si vous lisez ceci via Pressbooks, vous avez déjà sous la main accès au contenu en direct, en cliquant sur les liens vers les différentes parties et chapitres du manuel. Faire la lecture en ligne vous permet d’accéder rapidement aux différentes sections et offre la possibilité de réaliser les exercices et activités d’auto-évaluation de fin de chapitre avec rétroaction immédiate.

Pressbooks permet aussi de télécharger des versions ebook ou pdf du manuel, qui pourront être imprimées ou consultés sur une liseuse. La mise en page de ces versions est parfois moins bien adaptée aux formats de page, particulièrement dans le cas des illustrations, qui peuvent parfois être trop petites. De plus, le contenu mathématique n’est pas toujours bien supporté par les liseuses électroniques.

Le dépôt Github https://github.com/gbegin/circuits_logiques/ permet également de télécharger une version pdf du manuel qui a été produite directement sans passer par Pressbooks, et dans laquelle la mise en page et le contenu mathématique sont mieux rendus. Cette version serait la plus avantageuse pour une impression sur papier du manuel.

L’auteur, Guy Bégin, est professeur au département d’informatique de l’Université du Québec à Montréal. Ses recherches l’ont toujours amené à s’intéresser aux 0 et aux 1 si souvent rencontrés en circuits logiques, mais également en télécommunications numériques, son champ de recherche privilégié.

Au cours de sa carrière de professeur à l’UQAM depuis plus de trente ans, il a enseigné une quinzaine de cours différents en électronique, informatique et télécommunications, à tous les cycles. Comme directeur de programme (pendant une dizaine d’années), il a participé à sept projets de création ou de modification majeure de programmes d’études à tous les cycles, dont cinq comme responsable principal. Il a ainsi été amené à élaborer un grand nombre de nouveaux cours, préparer une variété de matériel pédagogique (notes de cours, transparents, capsules vidéo, activités d’apprentissage sur Moodle, etc.). Il a de plus été un des premiers de son département à expérimenter l’enseignement à distance (cours comodal en 2008, encadrement aux cycles supérieurs à distance, 2011-2013).

Comme directeur du seul programme de génie de l’histoire de l’UQAM (baccalauréat en génie microélectronique, de 2002 à 2016), il a été au centre du processus d’agrément du programme auprès du Bureau canadien d’agrément des programmes de génie, selon la formule des «qualités de l’ingénieur», une forme élaborée d’approche par compétences.

L’auteur souhaite remercier particulièrement Yves Munn (chargé de projets technopédagogiques), Boris Nonveiller (bibliothécaire), Rachel Rouleau (révision linguistique) et Émile Gauvin (étudiant au baccalauréat en systèmes informatiques et électroniques).

Image en couverture par Émilie Tournevache et Alex Grenier (Service de l’audiovisuel-UQAM) avec l’outil IA Midjourney et mots clés : Réseaux Informatiques, Réseaux Sociaux, Connexions, Algorithmes.

Ce manuel a été réalisé avec le soutien de la fabriqueREL.