Cours 2 : La carte mère et ses composants

CIAN - Architecture
Cours 2 : La carte mère et ses composants
Sources : http:/www.grosbill.com/ et ses différents guides d'achat accessibles par l'aide :
guide d'achat des carte mères, guide d'achat des processeurs, guide d'achat des mémoires
http://www.choixpc.com/cartemer.htm
http://www.commentcamarche.net
http://www.pc-infopratique.com/Theorie.html
I.Carte Mère
La carte mère est la colonne vertébrale d'un ordinateur. C'est par elle que transite les informations
vers tous les périphériques de l'ordinateur, qu'ils soient internes ou externes.
Une carte mère se distingue principalement par les processeurs qu'elle supporte. En effet celles-ci
sont spécialement conçues pour fonctionner en général qu'avec un seul type de processeur. Aucune
carte mère ne supportera un processeur Intel et AMD !
II.Socket
Le socket est l'endroit où se connecte le processeur sur
la carte mère. C'est le socket qui détermine le ou les
processeurs insérables. Attention, il ne faut jamais forcer
la connexion sous peine de détruire son processeur.
III.Chipset
Le chipset est la puce principale intégrée dans une carte mère. Cela ressemble à un processeur
mais contrairement à ce dernier, il est intégré et non connecté, c’est pourquoi on ne peut enlever le
Chipset de la carte mère. Le chipset gère les échanges de données par exemple entre le processeur et
la mémoire centrale ou encore c'est lui qui gère les ports. Plusieurs constructeurs se partageant ce
marché.
C'est le chipset qui dicte les caractéristiques principales de la carte mère, comme le type de
processeur ou de mémoire insérables ou bien encore les ports d'extensions intégrables. Le chipset est
composé généralement de deux puces distinctes : le NorthBridge et le SouthBridge.
1.Le Bus système ou Processeur
C'est le bus de communication du processeur avec tous les autres éléments de la carte mère, sa
vitesse est très importante dans les performances de l'ordinateur, autant que la vitesse de traitement
des instructions du processeur. Front Side Bus.
La fréquence du bus système est la fréquence d'envoi des commandes aux différents composants
connectés à la carte mère, cela se passe au travers du chipset. La fréquence du processeur est celle à
laquelle il traite les instructions.
Décembre 2005
G.Pondemer-Dewulf
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Un bus qui transporte 4 instructions par cycle a une fréquence de 4 x 200MHz = 800 MHz
La fréquence d'un processeur n’est pas réellement fixée comme pourrait le laisser supposer son
nom mais est déterminée de la façon suivante :
Fréquence du bus système x coefficient multiplicateur = Fréquence du processeur.
Exemple: pour un Intel Céléron « 800 » MHz : 100 MHz x 8
= 800 MHz.
Le même processeur avec un bus à 133
MHz : 133 Mhz x 8
= 1064 MHz
Pentium 4
« 3,4 » Ghz : 200 MHz x 17
= 3400 MHz
2.Le bus Mémoire
Il permet le transfert de données (instructions ou données à traiter) entre le processeur et la
mémoire. Suivant le nombre de "fils" que compte le bus, on pourra véhiculer des mots de 8, 16, 32
ou 64 bits. Ce nombre de bits pouvant circuler en parallèle détermine ce que l'on appelle la largeur
du bus. Les données pouvant circuler dans les deux sens, il est dit bidirectionnel.
3.Le bus de données
C'est une sous-partie des bus système et mémoire. Suivant les organes vers lesquels doivent aller
les données. Il permet la communication entre les différents organes et la prise en compte de
nouveaux périphériques grâce à des connecteurs ou slots.
4.Le bus d'adresses et bus de commandes
Ce sont des sous-ensembles des bus système et mémoire.
Le bus d'adresse permet de véhiculer une adresse du registre d'instruction vers le compteur
ordinal ou vers le registre d'adresse associé à la mémoire. Ce bus est dit unidirectionnel, puisque
les adresses vont toujours de l'unité centrale vers la mémoire.
Le bus de commandes permet aux microcommandes générées par le séquenceur de circuler vers
les divers composants du système.
La largeur d'un bus détermine les performances de l'UC. La largeur du bus d'adresse est liée à la
taille de la mémoire qui sera directement adressable par le microprocesseur. Ainsi avec un bus
d'adresses d'une largeur de 16 bits, on peut obtenir 216 combinaisons soit autant de cellules
mémoires.Soit 64 Ko, si l’on considère des mots de 1 octet.
Par exemple : Le bus processeur d'un Pentium est formé de 32 ligne d'adresses, 64 lignes de
données et quelques ligne de contrôles.
IV.Processeur
Il met en œuvre une partie de l'unité de contrôle telle que l'a décrit
Von Neumann avec des évolutions régulières. Les deux principaux
fabricants de microprocesseur sont AMD et INTEL. Chacun propose
deux gammes de CPU bien distinctes, bas de gamme et haut de
gamme. Chaque constructeur a opté pour des technologies
différentes.
Définition : http://www.dicofr.com
Vectoriel : conçu pour appliquer le même traitement à des
éléments homologues de tableaux de données.
Décembre 2005
G.Pondemer-Dewulf
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V.Technologies
1.CISC
La technologie CISC (Complete Instruction Set Computer) est la technologie adoptée par les
premières architectures d’ordinateurs. Les microprocesseurs sont capables d’interpréter plus de 400
instructions et l’exécution peut se faire en plusieurs cycles de base de ce microprocesseur. Jusqu’à 6
cycles de base pour traiter une instruction. Les instructions sont dites câblées et ne nécessitent pas
de décomposition.
2.RISC
La technologie RISC (Reduced Instruction Set Computer) propose un jeu d’instructions câblées
très réduit et limité aux instructions les plus fréquemment demandées. Car 80% des traitements font
appel à uniquement 20 % des instructions que possède le processeur .
Un processeur RISC occupe ainsi une surface réduite qui permet d’intégrer des caches mémoires,
des registres ...
Chaque instruction s’exécute en un seul cycle machine entraînant une répercussion notable sur
les performances, notamment sur les compilateurs.
Mais pour améliorer les performances de ces machines, le nombre d’instructions tend à
augmenter, la différence entre les deux technologies devient moins flagrante.
VI.Les mémoires « d'exécution »
1.Mémoire cache
Le principe de la mémoire cache consiste à interposer entre le microprocesseur et la mémoire
vive une petite mémoire extrêmement rapide appelée mémoire vive statique offrant des temps
d’accès de l’ordre de quelques nanosecondes. Cette mémoire est bien plus rapide que la mémoire
centrale de l'ordinateur, car elle fonctionne à la fréquence du processeur.
Ce mécanisme est constitué de la mémoire-cache proprement dite, sous forme de composant de
mémoire statique et d’un contrôleur de mémoire-cache qui est un microprocesseur spécialisé
contenant la logique nécessaire.
Quand le microprocesseur recherche une information, le contrôleur cache recherche d'abord cette
information dans la mémoire cache, en cas d'échec dans le cache, l’information est recherchée en
mémoire centrale, puis enfin, en mémoire en dernier lieu. En plus de la récupération de
l’information, le contrôleur effectue une copie du code ou des données en mémoire cache ainsi que
des informations immédiatement adjacentes à l’adresse des informations demandées.
En effet statistiquement les informations demandées par le microprocesseur à la mémoire se
trouvent, dans cette mémoire, à proximité immédiate de l’accès à l’information précédente. D’autre
part, on a constaté qu’on réutilise souvent les informations les plus récemment traitées. La logique
implémentée dans le contrôleur répond donc à cette supposition.
Plus la taille de ces mémoires est importante, plus les performances des processeurs augmentent.
Cependant, la taille ne fait pas tout, le système de gestion de cette mémoire peut influencer les
performances du processeur. Cela permet aux constructeurs de modifier les performances d'un
processeur, tout en gardant la même structure de processeur, et donc, de réduire les coûts de
production : par exemple le Celeron qui a de la mémoire cache moins rapide que le Pentium 4. Le
Céléron est le modèle bas de gamme du Pentium alors qu’ils ont tous les deux la même mémoire
cache mais elles sont gérées différemment.
Décembre 2005
G.Pondemer-Dewulf
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On distingue deux mémoires cache différentes, celle de niveau 1 (L1) et celle de niveau 2 (L2).
Une mémoire de très petite taille, mais extrêmement rapide – cache de premier niveau ou cache
primaire ou L1 - est couramment intégrée dans la puce du microprocesseur où elle occupe quelques
Ko. La plupart des ordinateurs comportent également sur leur carte mère, en plus de la mémoire
centrale, une petite mémoire d'une capacité de l'ordre de quelques centaines de Ko – cache de
second niveau ou cache secondaire ou L2 également très rapide.
2.Mémoire centrale : « la RAM »
La mémoire "vive" d'un ordinateur sert à stocker les applications qui sont en train de s'exécuter.
En effet, chaque programme a besoin d'une certaine place en mémoire pour bien fonctionner. Plus
ces programmes sont nombreux à tourner, plus il faudra de mémoire vive sur son ordinateur. Une
fois qu'elle sera remplie, le disque dur prendra alors le relais et stockera des fichiers temporaires
pour permettre aux applications de marcher correctement. Seulement, la vitesse de lecture/écriture
d’un disque dur est bien moins élevée que celle de la mémoire vive. La montée en puissance des
microprocesseurs va de paire avec l'augmentation de la mémoire vive.
L'idéal aujourd'hui se situe entre 256Mo et 512 Mo, suivant le système d'exploitation.
Chaque carte mère possède ses propres caractéristiques, comme le type de mémoire qu'elle
supporte, le nombre d'emplacements disponibles. Il faut bien vérifier lors de l'achat d'une nouvelle
barrette que la carte mère les supportera bien, par exemple : c'est le cas sur les chipsets Intel I815
qui ne supportent pas plus de 512Mo et qui ne supportent pas non plus les barrettes 256Mo simple
face (SIMM).
Pour pallier à la demande de bande passante grandissante des derniers processeurs, les différents
fabricants de cartes mères passent maintenant à la mémoire double canal (DDR). Le principe est
simple, il suffit de considérer deux barrettes de mémoires identiques, (en taille et vitesse), et la
vitesse de transfert de données entre le processeur et la mémoire sera théoriquement doublée. Les
derniers chipsets Intel et AMD supportent cette norme.
Décembre 2005
G.Pondemer-Dewulf
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VII.Contrôleur, bus et ports d'extension
Les unités d'entrés / sorties sont aussi appelées unités d'échange. Elles ont pour rôle de gérer les
transferts des informations entre l'unité de contrôle et les différents périphériques. Elles peuvent être
soit directement intégrées à la carte mère, par exemple les prises pour les enceintes, soit intégrées à
une carte spécifique au périphérique, carte vidéo par exemple.
L'unité centrale communique avec les unités périphériques par l'intermédiaire du sous-système
d'entrée/sortie. La gestion des entrées/sorties, consiste à la gestion du transfert d'informations entre
l'ordinateur (Unité Centrale) et l'extérieur (unités périphériques locales ou à distance, autres
ordinateurs) Cette gestion est prise en charge par un ensemble de services appelé gestionnaire
d'entrée/sortie.
Les objectifs du gestionnaire d’entrée/sortie sont :
− La prise en compte d'une demande d'entrée/sortie émise par un élément physique ou logiciel.
− Le contrôle de l'échange physique d'informations entre l’unité centrale et l'extérieur.
− La gestion de la simultanéité entre la prise en compte des demandes d’entrés/sorties et leur
mise en oeuvre.
La gestion du périphérique est faite par le contrôleur, qui est relié au périphique au travers d'un
bus et connecté physique au travers su port ou slot ou prise. La tâche du contrôleur est d'adapter la
diversité des périphériques (débit, temps de réponse, format des données, forme des signaux de
commandes) à une interface commune, obéissant aux normes adoptées par le constructeur. Ces
différentes unités d'E/S sont reconnaissables grâce à leur interface (port), l'interface permettant de
connecter les différentes cartes enfichables. Directement intégrés à la carte mère, ils permettent la
connexion directe des périphériques internes ou externes, ou au travers de carte d'extension (carte
interne) pour connecter un périphérique (externe).
1.Internes - BUS
Tous ses bus permettent la connexion de périphériques internes ou carte d'extension, on appellera
parfois leur interface un slot.
On appelle bus d'extension (parfois Bus de périphérique ou en anglais expansion bus) les bus
possédant des connecteurs permettant d'ajouter des cartes d'extension (périphériques) à l'ordinateur.
Il existe différents types de bus internes normalisés caractérisés par :
• leur forme,
• le nombre de broches de connexion,
• le type de signaux (fréquence, données, etc).
a -ISA
Héritier de l'IBM PC d'origine, le bus ISA est en 16 bits. Les cartes mères les plus récentes n'en
disposent plus ! Certaines applications anciennes nécessitant des cartes à ce standard existent
encore, mais elles ne concernent que les industriels et non les particuliers.
b -VLB
En 1992 le bus local VESA (VLB pour VESA Local Bus) a été mis au point par l'association
VESA (Video Electronics Standard Association sous l'égide de la société NEC) afin de proposer un
bus local dédié aux systèmes graphiques. Il s'agit d'un connecteur ISA 16-bits auquel vient s'ajouter
un connecteur supplémentaire de 16 bits.
Le bus VLB est ainsi un bus 32-bit prévu initialement pour fonctionner à une fréquence de 33
MHz (fréquence des premiers PC 486 de l'époque). Le bus local VESA a été utilisé sur les modèles
suivants de 486 (respectivement 40 et 50 MHz) ainsi que sur les tout premiers Pentium, mais il a
rapidement été remplacé par le bus PCI.
Décembre 2005
G.Pondemer-Dewulf
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c -PCI
Le Peripheral Component Interface est le fruit des recherches de l'Intel Architecture Lab (1992).
Il visait à remplacer le vieux bus ISA des premiers PC par un bus 32 bits plus rapide. Il est le
standard de la quasi-totalité des cartes d'extension du marché comme les cartes son, modem etc...
C'est un bus avec une interface Série. Contrairement au bus VLB il ne s'agit pas à proprement parler
d'un bus local mais d'un bus intermédiaire situé entre le bus processeur (NorthBridge) et le bus
d'entrées-sorties (SouthBridge).
d -PCI Express
Le bus PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express, noté 3GIO pour «Third
Generation I/O»), est un bus d'interconnexion permettant l'ajout de cartes d'extension dans
l'ordinateur. Le bus PCI Express a été mis au point en juillet 2002. Le bus PCI Express fonctionne
en interface série, ce qui lui permet d'obtenir une bande passante beaucoup plus élevée que ce
dernier.
e -AGP
Le port AGP permet de partager la mémoire vive du PC quand la mémoire de la carte graphique
est saturée. Cependant cette méthode d'accès est nettement plus lente que celle de l’accès à la
mémoire de la carte graphique. On différencie deux normes d'AGP, l'AGP 2X et l'AGP 4X.
2.Externes – Interface d'entrée/sortie
a -USB
Le bus USB (Universal Serial Bus, en français Bus série universel) est, comme son nom
l'indique, basé sur une architecture de type série. Il s'agit toutefois d'une interface entrée-sortie
beaucoup plus rapide que les ports série standards. L'architecture qui a été retenue pour ce type de
port est en série pour deux raisons principales :
• l'architecture série permet d'utiliser une cadence d'horloge beaucoup plus élevée qu'une interface
parallèle, car celle-ci ne supporte pas des fréquences trop élevées (dans une architecture à haut
débit, les bits circulant sur chaque fil arrivent avec des décalages, provoquant des erreurs) ;
• les câbles série coûtent beaucoup moins cher que les câbles parallèles.
b -Firewire
Le bus IEEE 1394 (nom de la norme à laquelle il fait référence) a été mis au point à la fin de
l’année 1995 afin de fournir un système d’interconnexion permettant de faire circuler des données à
haute vitesse en temps réel. La société Apple lui a donné le nom commercial « Firewire », qui est
devenu le plus usité. Sony lui a également donné le nom commercial de i.Link, tandis que Texas
Instrument lui a préféré le nom de Lynx.
Il s'agit ainsi d'un port, équipant certains ordinateurs, permettant de connecter des périphériques
(notamment des caméras numériques) à très haut débit. Il existe ainsi des cartes d'extension
(généralement au format PCI ou PC Card / PCMCIA ) permettant de doter un ordinateur de
connecteurs FireWire.
c -PCMCIA
Le bus PC Card a été mis au point en 1989 par le consortium PCMCIA (Personnal Computer
Memory Card International Association, d'où le nom donné parfois au bus) afin d'étendre les
capacités d'accueil de périphériques des ordinateurs portables.
Les périphériques PCMCIA sont au format carte de crédit (54 mm par 85 mm) et possèdent un
connecteur de 68 broches.
Décembre 2005
G.Pondemer-Dewulf
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3.Les autres ports externes
Il existe des ports PS2 (claviersn souris), des ports séries (modem externe, souris), des ports
parallèles (imprimante).
La plupart des cartes mères modernes intègrent au moins un port AGP (là où se branche la carte
graphique) et 4 emplacements PCI (carte son, carte réseau, etc. ). Il peut avoir davantage de ports
PCI, jusqu'à 6. Il existe aussi d'autres formats comme les ports ACR/CNR, mais ils ne sont pas très
utilisés. Les cartes qui se branchent dessus sont en général des modems et des cartes sons, mais sont
dépendantes du processeur central. Le Port CNR/ACR dédiés aux mini-cartes CNR (Intel) ou ACR
(VIA), ces connecteurs autorisent une émulation partielle audio, modem et réseau 10/100 Mbps, afin
de pallier l'électronique simplifiée des mini cartes.
4.Interne ou externe – Contrôleurs de périphériques de stockage
Il y a sur le marché deux interfaces totalement différentes : IDE et SCSI. Elles sont destinées aux
périphériques tels que : les disques durs, lecteur de CD-ROM ou DVD, graveurs.
a -IDE
La norme E-IDE (pour Enhanced Intelligent Drive Electronic) représente la quasi-totalité du
marché pour les ordinateurs personnels. Sur une carte mère, deux ports IDE sont toujours inclus,
tout comme le port du lecteur de disquette qui est un contrôleur à part
Introduit dès les premiers chipsets pilotant le Pentium, le contrôleur IDE (Integrated Drive
Electronics) est devenu l'interface standard des disques durs. La vitesse de transfert maximale est de
1500 Ko/s. Devenu entre temps EIDE (pour Enhanced IDE, Accru ou Etendu) il est présent dans
tous les chipsets modernes avec des performances tout à fait respectables. La vitesse de transfert
minimum de 10 Mo/s. Instituée en 1993 par Western Digital, la norme EIDE, devenue DMA puis
Ultra DMA en se passant du concours du processeur pour piloter les échanges à grande vitesse, est
universelle. Elle contrôle aussi bien des lecteurs de CD ROM que des DVD ou des disques durs
rapides. On parle de mode UDMA (Ultra Direct Memory Access) et les vitesses sont de 33-66-100
et 133Mo/s. On peut brancher au maximum deux périphériques IDE sur un contrôleur de carte mère.
Il existe différentes normes de vitesse pour l'interface IDE. Cette vitesse correspond à la vitesse
maximum de transfert entre la carte mère et le disque dur, c'est à dire de l'interface, mais ne
correspond en rien à la vitesse de lecture ou d'écriture sur le disque dur.
La norme IDE qui est aussi appelée ATA, fonctionne avec un transport des bits en parallèle. Mais
le mode de transmission en parallèle n'est pas prévu pour supporter des fréquences élevées en raison
des problèmes liés aux interférences électromagnétiques entre les différents fils.
b -SATA
Le standard Serial ATA (S-ATA ou SATA) est un bus standard permettant la connexion de
périphériques de stockage haut débit sur les ordinateurs de type PC.
Le standard Serial ATA est apparu en février 2003 afin de pallier les limitations de la norme
ATA (connue sous le nom "IDE" et rétro-activement appelée Parallel ATA).
Le standard Serial ATA est basé sur une communication en série. Une voie de données est
utilisée pour transmettre les données et une autre voie sert à la transmission d'accusés de réception.
Sur chacune de ces voies les données sont transmises en utilisant le mode de transmission LVDS
(Low Voltage Differential Signaling) consistant à transférer un signal sur un fil et son opposé sur un
second fil afin de permettre au récepteur de reconstituer le signal par différence. Les données de
contrôle sont transmises sur la même voie que les données en utilisant une séquence de bits
particulière pour les distinguer.
Décembre 2005
G.Pondemer-Dewulf
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Ainsi la communication demande deux voies de transmission, chacune effectuée via deux fils,
soit un total de quatre fils pour la transmission.
D'autre part, la norme Serial ATA permet le raccordement à chaud des périphériques (Hot Plug).
c -SCSI
Le standard SCSI (Small Computer System Interface) est une interface permettant la connexion
de plusieurs périphériques de types différents sur un ordinateur par l’intermédiaire d’une carte,
appelée adaptateur SCSI ou contrôleur SCSI (connecté généralement par l'intermédiaire d'un
connecteur PCI).
Le nombre de périphériques pouvant être branchés dépend de la largeur du bus SCSI. En effet,
avec un bus 8 bits il est possible de connecter 8 unités physiques, contre 16 pour un bus 16 bits. Le
contrôleur SCSI représentant une unité physique à part entière, le bus peut donc accepter 7 (8 - 1) ou
15 (16 - 1) périphériques. Parallèlement à la norme IDE, coexiste la norme SCSI. Elle n'est présente
que dans les machines haut de gamme, car les disques durs sont bien plus chers que leurs
équivalents IDE. Il faut, de plus, acheter une carte contrôleur SCSI, car peu de cartes mères les
intègrent. En général, les cartes mères qui intègrent cette norme sont destinées à des serveurs ou à
des machine de montage audiovisuel.
L'avantage du SCSI par rapport à l’IDE, est que l'on peut brancher théoriquement 15
périphériques SCSI, et qu'ils utilisent moins les ressources du processeur. Ils ont aussi un temps
d'accès moins élevé que les disques IDE.
Deux types de bus SCSI existent :
•
•
le bus asymétrique, noté SE (pour Single Ended), basé sur une architecture parallèle dans
laquelle chaque canal circule sur un fil, ce qui le rend sensible aux interférences. Les nappes
SCSI en mode SE possèdent donc 8 fils dans le cas de transmission 8 bits (on parle alors de
narrow, signifiant "étroit") ou 16 fils pour un câble 16 bits (appelé wide, dont la traduction est
"large") Il s'agit du type de bus SCSI le plus répandu
le bus différentiel permet le transport des signaux sur une paire de fils. L’information est codée
par différence entre les deux fils (chacun véhiculant la tension opposée) afin de compenser les
perturbations électromagnétiques, ce qui permet une distance de câblage importante (de l'ordre de
25 mètres). On distingue généralement le mode LVD (Low Voltage Differential, en français
différentiel basse tension), basé sur des signaux 3.3V, et le mode HVD (High Voltage
differential, en français différentiel haute tension), utilisant des signaux 5V. Les périphériques
utilisant ce type de transmission, plus rare, portant généralement l'inscription "DIFF".
Les connecteurs des deux catégories de périphériques sont les mêmes, mais les signaux
électriques ne le sont pas, il faut donc veiller à identifier les périphériques (grâce aux symboles
prévus à cet effet) afin de ne pas les détériorer !
VIII.Échelle de grandeurs des mémoires :
Unité
1 octet
1 Kilo octets
1 Méga octets
Syntaxe
Equivalence
1 octet
= 8 bits
1Ko
= 1 024 octets
1Mo
= 1024 Kilo octets
1 Giga octets
1 Téra octets
1Go
1To
Décembre 2005
= 1024 Méga octets
= 1024 Giga octets
Exemple
Mémoire cache 512 Ko
Disquette 1,44 Mo, CD-ROM 600Mo,
RAM 512 Mo, Clé USB 256 Mo
Disque dur 120 Go
G.Pondemer-Dewulf