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Cours AMSI
Les Cartes mères
CH9_Les_Cartes_Meres
Objectifs :
- Caractéristiques des cartes mères
- Comprendre le rôle du chipset
- Connaître les différentes connectiques pour le processeur
1] Centre nerveux du PC
Un ordinateur est traditionnellement constitué d'un écran, d'un clavier, d'une souris et d'une unité
centrale. Cette dernière regroupe plusieurs éléments (le disque dur, le lecteur de disquettes, la
carte d'affichage etc.) tous connectés à une grande carte électronique, qui constitue le centre
nerveux de l'ordinateur. C'est sur celle-ci que sont fixés le processeur et la mémoire: toutes les
informations traitées par l'ordinateur passent donc toujours par la carte mère; sa qualité est
déterminante pour le bon fonctionnement et les performances de l'appareil. Une carte mère se
divise en 3 grands blocs reliés entre eux grâce aux pistes de cuivre du circuit imprimé:
1. le processeur (et ses composants associés),
2. la mémoire,
3. et le bus d'extension.
Exemple de marque : ASUS, MSI, Gigabyte
2] Le format
On désigne généralement par le terme « facteur d'encombrement » (ou facteur de forme, en
anglais form factor), la géométrie, les dimensions, l'agencement et les caractéristiques
électriques de la carte mère. Afin de fournir des cartes mères pouvant s'adapter dans différents
boîtiers de marques différentes, des standards ont été mis au point :
• AT baby / AT full format est un format utilisé sur les premiers ordinateurs PC du type 386
ou 486. Ce format a été remplacé par le format ATX possédant une forme plus propice à la
circulation de l'air et rendant l'accès aux composants plus pratique.
• NLX (New Low Profile eXtended), la carte est divisée en 2, une partie fixe (pour les
connecteurs d'extension), une partie amovible (processeur, mémoire chipset…) cette carte ne
se trouve que dans les PC d'entreprise.
• LPX ou mini-LPX, tous les connecteurs (clavier, écran et ports de communication) sont
intégrés directement sur la carte mère.
• ATX (format actuel) : Le format ATX est une évolution du format Baby-AT. Il s'agit d'un
format étudié pour améliorer l'ergonomie. Ainsi la disposition des connecteurs sur une carte
mère ATX est prévue de manière à optimiser le branchement des périphériques (les connecteurs
IDE sont par exemple situés du côté des disques). D'autre part, les composants de la carte mère
sont orientés parallèlement, de manière à permettre une meilleure évacuation de la chaleur.
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ATX standard : Le format ATX standard présente des dimensions classiques de
305x244 mm. Il propose un connecteur AGP et 6 connecteurs PCI.
micro-ATX : Le format microATX est une évolution du format ATX, permettant d'en
garder les principaux avantages tout en proposant un format de plus petite dimension
(244x244 mm), avec un coût réduit. Le format micro-ATX propose un connecteur AGP
et 3 connecteurs PCI. Il accepte désormais les connecteurs PCI-Express.
Flex-ATX : Le format FlexATX est une extension du format microATX afin d'offrir une
certaine flexibilité aux constructeurs pour le design de leurs ordinateurs. Il propose un
connecteur AGP et 2 connecteurs PCI.
mini-ATX : Le format miniATX est un format compact alternatif au format microATX
(284x208 mm), proposant un connecteur AGP et 4 connecteurs PCI au lieu des 3 du
format microATX. Il est principalement destiné aux ordinateurs de type mini-PC
(barebone).
• BTX : Le format BTX (Balanced Technology eXtended), porté par la société Intel, est un
format prévu pour apporter quelques améliorations de l'agencement des composants afin
d'optimiser la circulation de l'air et de permettre une optimisation acoustique et thermique. Les
différents connecteurs (connecteurs de mémoire, connecteurs d'extension) sont ainsi alignés
parallèlement, dans le sens de circulation de l'air. Par ailleurs le microprocesseur est situé à
l'avant du boîtier au niveau des entrées d'aération, où l'air est le plus frais. Le connecteur
d'alimentation BTX est le même que celui des alimentations ATX. Le standard BTX définit trois
formats :
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BTX standard, présentant des dimensions standard de 325x267 mm ;
micro-BTX, de dimensions réduites (264x267 mm) ;
pico-BTX, de dimensions extrêmement réduites (203x267 mm).
• ITX : Le format ITX (Information Technology eXtended), porté par la société Via, est un
format extrêmement compact prévu pour des configurations exigûes telles que les mini-PC
(Shuttle). Il existe deux principaux formats ITX :
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mini-ITX, avec des dimensions minuscules (170x170 mm) est un emplacement PCI ;
nano-ITX, avec des dimensions extrêmement minuscules (120x120 mm) et un
emplacement miniPCI.
Ainsi, du choix d'une carte mère (et de son facteur de forme) dépend le choix du boîtier. Le
tableau ci-dessous récapitule les caractéristiques des différents facteurs de forme :
Facteur de forme Dimensions Emplacements
ATX
305 mm x 244 mm AGP / 6 PCI
microATX
244 mm x 244 mm AGP / 3 PCI
FlexATX
229 mm x 191 mm AGP / 2 PCI
Mini ATX
284 mm x 208 mm AGP / 4 PCI
Mini ITX
170 mm x 170 mm
1 PCI
Nano ITX
120 mm x 120 mm 1 MiniPCI
BTX
325 mm x 267 mm
7
microBTX
264 mm x 267 mm
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picoBTX
203 mm x 267 mm
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Ce facteur de forme conditionne le type de boîtier utilisable pour accueillir la carte et les
périphériques.
La taille du boîtier conditionne le nombre d'emplacements pour les lecteurs en façade, ainsi que
le nombre d'emplacements pour des disques durs en interne. On distingue généralement les
catégories suivantes :
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Grand tour : il s'agit de boîtiers de grande taille (60 à 70 cm de hauteur), possédant 4 à 6
emplacements 5"1/4 et 2 ou 3 emplacements 3"1/2 en façade, ainsi que deux ou trois
emplacements 3"1/2 en interne.
Moyen tour : il s'agit de boîtiers de taille moyenne (40 à 50 cm de hauteur), possédant 3
à 4 emplacements 5"1/4 en façade et deux emplacements 3"1/2.
Mini tour : il s'agit de boîtiers de petite dimension (35 à 40 cm de hauteur), possédant
généralement 3 emplacements 5"1/4 et deux emplacements 3"1/2 en façade, ainsi que
deux emplacement 3"1/2 en interne.
Barebone (littéralement « os nu ») ou mini-PC : il s'agit du plus petit format de boîtier
(10 à 20 cm de hauteur). La plupart du temps les barebone sont des ordinateurs pré
assemblés embarquant une carte mère ayant un facteur de forme réduit (SFF, pour Small
Form Factor). Ils possèdent généralement un ou deux emplacements 5"1/4 et un
emplacement 3"1/2 en façade, ainsi qu'un emplacement 3"1/2 en interne.
Exemple : Dans un boîtier moyen tour on peut mettre de l’ATX ou Micro-ATX
Structure physique de la carte mère :
Les pistes sont tellement nombreuses que l'on en trouve sur les deux faces de la carte. Mais avec
les processeurs récents cela ne suffisait pas : aussi utilise-t-on aujourd'hui des circuits imprimés
multicouches, formés de plusieurs fines plaques superposées, chacune composée de résine epoxy
et portant des pistes de cuivre. Collées les unes sur les autres elles constituent un seul circuit
imprimé. Des trous métallisés assurent, à l'endroit où ils sont percés, l'interconnexion entre les
couches.
La carte mère contient un certain nombre d'éléments embarqués, c'est-à-dire intégrés sur son
circuit imprimé :
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•
•
Le chipset, circuit qui contrôle la majorité des ressources (interface de bus du processeur,
mémoire cache et mémoire vive, slots d'extension,...).
L'horloge et la pile du CMOS : cette pile permet de maintenir en mémoire les
paramètres du BIOS auxquels vous avez accès c’est-à-dire la partie SETUP. Il suffit
d’enlever cette pile un instant pour effectuer un reset sur le BIOS. Il existe aussi un
cavalier sur la carte mère permettant également de réinitialiser ce dernier.
Le BIOS.
Le bus système et les bus d'extension.
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3] Le socle processeur
Le socket ou slot (socle) correspond au connecteur de la carte mère, destiné à recevoir le
processeur. L’évolution du microprocesseur et donc de son socle va de pair avec celle du chipset.
* Socket 1, 2, 3 et 5 : correspondent aux anciens Intel 486 SX, DX, DX2 et DX4 et Intel
Pentium 60 et 66 ou AMD K5 équivalents.
* Socket 7 : destiné aux Pentium 75 Mhz, Pentium MMX, AMD K6-2, K6-3 … il a longtemps
été le connecteur d’insertion ZIF (Zero Insertion Force) – petit levier sur le côté du connecteur
destiné à insérer le processeur sans risquer d’endommager les broches. Abandonné par Intel
(dans un but strictement commercial), il a continué à être utilisé par d’autres fabricants mais
arrive en « fin de carrière » compte tenu de l’évolution des fréquences.
* Socket 8 : support des Pentiums Pro.
* Slot 1 : destiné aux Pentiums – et encore utilisé par certains celerons. Il est remplacé par le
socket 370.
* Slot 2 : support des processeurs Pentium II et II et Xeon.
* Slot A : support des processeurs AMD Athlon et Thunderbird. Apparenté au slot 1 mais non
compatible électriquement, il a été remplacé par le socket A.
* Socket 370 : support des processeurs Intel Celeron Pentium III, Cyrix III,… Physiquement le
socket 370 et le socket 7 se ressemblent (support ZIF), mais le socket 370 comporte 49 broches
de plus que le socket 7.Parmi les processeurs non-Inetl, le Cyrix III de Via utilise ce socle. Il
existe en deux versions : PPGA pour les celerons et FCPGA pour les celerons II, les Pentiums III
et les Cyrix III. Il existe des adaptateurs Slot 1/Socket 370.
* Socket A : support des processeurs AMD Duron et Athlon Thunderbird, le socket A d’AMD
ressemble physiquement au socket 370. Toutefois il n’existe pas d’adaptateur slot A/socket A.
Socket 423 : support destiné au Pentium 4, il remplace le socket 370 dont le bus était limité à
133 Mhz alors que le bus du P4 est de « 400 Mhz ».
* Socket 478 : nouveau socle destiné au Pentium 4 (gravure 0,13 m).
* Socket 775 : (aussi appelé socket LGA775 ou socket T) est un socket destiné aux processeurs
Intel. Le socket 775 n'est plus à proprement parler un socket. De type LGA, celui-ci n'est plus
constitué de trous destinés à accueillir les pins du processeur, les processeurs pour socket 775
comportent de simples petits connecteurs venant toucher des pins situés sur le socket
contrairement à l’ancien système PGA.
Le socket 775 est destiné aux processeurs Pentium 4, Pentium D, Core 2 Duo, Core 2 Quad,
Core 2 Extreme
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* Socket 939 : pour les athlons 64 et x2 (dual core) et utilise la mémoire Dual-channel. Il a été
lancé par AMD en réponse au Socket LGA 775 d’INTEL. Bien qu'il ne supporte pas la DDR2,
ce format a un niveau de performances équivalent à celui du format d'Intel.
* Socket AM2 : (anciennement Socket M2) est destiné aux processeurs de bureau AMD, qu'ils
soient très haut de gamme, grand public, ou d'entrée de gamme. Il est sorti comme successeur
pour le socket 939. Il présente 940 broches et inclut le support de la RAM DDR2 mais il n'est
pas pour autant compatible avec les processeurs socket 940. Son successeur est le socket AM3.
Il est destiné aux processeurs suivants : Windsor (haut de gamme : Athlons 64 X2 Dual-Core),
Orleans (milieu de gamme : Athlon 64 Mono-Core) et Manilla (entrée de gamme : Sempron).
* Le Socket 940 contient 940 broches et est destiné aux processeurs des serveurs AMD 64-bit,
comme l’OPTERON. On trouve aussi des cartes mères avec quatre ou huit sockets 940. La
plateforme Socket 940 est destinée à une utilisation professionnelle.
* Le Socket 771 (aussi appelé LGA771 ou socket J) est destiné aux processeurs des serveurs
Intel, comme le Xeon.
Socket
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Slot
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Par conséquent, ces systèmes se différencient par :
* le nombre de connecteur et la forme utilisée
* le voltage nécessaire
* la forme du socle
* le système de branchement (ZIF)
4] Synchronisation
Quand on met l'ordinateur sous tension, la carte mère est alimentée et distribue à chaque circuit
intégré la tension qui lui est nécessaire. L'opération met notamment en route un quartz qui
délivre une base de temps.
Extrêmement précise, rythmant tous les événements du système, la plupart des cartes mères
actuelles acceptent plusieurs fréquences de fonctionnement : on sélectionne l'une ou l'autre de
ces fréquences à l'aide d'un cavalier ou d'un micro interrupteur, ou de plus en plus dans le BIOS
Ainsi toutes les opérations sont séquencées par le processeur et rythmé par la fréquence
externe de la carte mère.
5] Le chipset
La fréquence de ces bus varie suivant les cartes mères et les chipset dont elles sont équipées.
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Chipset: Le Chipset gère les échanges de données entre le microprocesseur et les autres
composants (mémoire centrale, disque dur…). Les échanges se font sur des bus intégrés sur la
carte mère. Chipset vient de l’anglais, il signifie littéralement jeu de composants. Il est souvent
négligé lors du choix d’un micro-ordinateur. A l’heure actuelle, ces chipsets permette de piloter
des FSB reliant processeur et mémoire à des fréquences atteignant 800 MhZ (Intel i875P). Leur
évolution suivant ou précédant celle des processeurs, il est assez difficile de suivre le
mouvement.
Le chipset se décompose en deux parties :
1) Pont nord (North-bridge ou MCH : Memory Controler Hub selon Intel) se charge en prinicpe
des composants « rapides » (processeur, mémoire, bus AGP …).
2) Un pont sud (South-bridge ou ICH : I/O Controler Hub selon Intel) qui gére les
communications « lentes » (entrées-sorties, USB, ports PS/2, contrôleurs de disquette, disque
dur, …)
Les possibilités et les performances d’un système informatique sont liées au chipset, car c’est
lui en particulier qui détermine :
- le ou les types de microprocesseur supportés
- Le ou les types de processeurs supportés et leur fréquence de fonctionnement.
- Les différentes vitesses de bus autorisées.
- les différentes
vitesses des bus et leurs types
- Le support d’un ou plusieurs contrôleurs de disques durs EIDE et/ou SCSI et leur mode de
fonctionnement.
- le support
d’un
plusieurs
- Le type
desou
mémoires
vivesdisques
supportéesdurs
et leur taille maximale.
- La taille maximale de la mémoire cache et son mode d’accès.
- La
en compte
des cartes
plug and play.
- le type
deprise
mémoire
supporté
etd’extension
la taille maximale
possible
- Les éventuels dispositifs additionnels tels que port AGP, USB et/ou infrarouge.
- les éventuels dispositifs additionnels (carte réseau, graphique, son …)
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Exemple du chipset nForce4 SLI (de nVidia) pour l’architecture Intel :
La fonction SLI permet d’intégrer deux cartes graphiques sur la même carte mère. Chez ATI,
cette technologie se nomme Crossfire. La dénomination des chipsets chez nVidia est différente :
on trouve MCP et SPP.
6] L’hyperTransport
Le bus HyperTransport (anciennement Lightning Data Transport ou LDT) est un bus local
série/parallèle plus rapide que le bus PCI et qui utilise le même nombre de broches.
HyperTransport est une technologie issue des laboratoires Digital. Suite à la disparition de
Digital, le développement fut repris par AMD, IBM et nVidia qui avaient acquis une licence.
• hypertransport 1.0 et 1.1, utilisé dans les premiers Athlon 64 bits. Il utilise 2 bus de
32 bits unidirectionnels en mode basse tension différentiel (LVDS - Low Voltage
Differential Signaling). Sa bande passante est de 12,8 Go/s (en fait 6,4 Go/ s sur
chaque canal) pour une vitesse de 800 Mhz maximum, toujours utilisé dans les
Sempron 64 actuels.
• hypertransport 2.0, sorti en 2004. C'est une amélioration de la version 1.1. La vitesse
du bus accepte 1,0 ; 1,2 ; 1,4 et 1,6 Ghz. Dédié aux Athlon 64FX au départ, il améliore
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la gestion des bus PCI-express. La bande passante passe à 22,4 Go/secondes par lien
(toujours 32 lignes séries séparées)
L'HyperTransport 3.0 offre une bande passante théorique de 41,6 Go/s. Les
échanges se font jusqu'à 2,6 Ghz.
La version 3.0 dans les processeurs AMD qui utilisent un nouveau socket, l'AM2+ apporte
quelques modifications:
• La vitesse du bus n'est plus constante mais tournera à 1,8, 2,0, 2,4 et 2,6 Ghz.
• La bande passante maximum est de 20,8 Go/s dans chaque direction (soit 41,6 en full
Duplex).
• Il devient hotplug.
La technologie HyperTransport est utilisée principalement comme bus mémoire (communication
entre le chipset et le processeur) dans certaines architectures comme le K8 (Athlon 64,
Opteron…) ou certains PowerPC comme le PowerPC 970 d’IBM (serveur de type RISC).
Chez Intel, on utilise un bus nommé DMI (Direct Media Interface). Ce bus mémoire des
machines n'est relié au bus d'entrées-sorties qu'en un seul point (le chipset Northbridge, qui est
donc un goulet d'étranglement). Le bus Hypertransport dispose, lui, d'une architecture switchée
comme un réseau sur laquelle plusieurs chipsets peuvent connecter des bus d'entrées-sorties.
Des nombreuses informations ont été diffusées à propos de la contre-attaque d'Intel, avec
notamment un bus du même type nommé CSI (Common System Interface), dont les
caractéristiques restent vagues et la date de sortie lointaine (pas avant 2008).
7] Le BIOS (Basic Input Output System)
Le bios et le chipset déterminent les possibilités de la carte mère.
Mais revenons à ce qui se passe lors de la mise sous tension. Le processeur effectue alors une
séquence invariable: il lit sa première instruction à une adresse mémoire précise. Cette
dernière correspond en fait à de la mémoire morte (les informations y sont toujours conservées,
avec ou sans alimentation, et l'on ne peut pas y écrire) contenant le Bios (Basic Imput/output
system). Une des fonctions majeures (POST : Power On Self test) de ce dernier est
l'initialisation de la carte mère avec notamment, tous les contrôles de bon fonctionnement des
divers circuits comme l’affichage, le clavier, les disque dur etc. Si tout se passe bien, le BIOS
consultera le MBR (Master Boot Record ou secteur d’amorçage du disque dur) pour y trouver un
chargeur de démarrage. Ce dernier contiendra des références ou plutôt des adresses disques, qui
indiqueront l’emplacement du ou des différents systèmes d’exploitation.
Le Bios est un ensemble de routines ( un programme ou firmware au sens matériel )
permettant au système d'exploitation de gérer les différents éléments de la carte mère. Donc
chaque évolution technologique peut nécessiter une évolution du Bios.
Ce dernier est stocké dans une EEPROM (Electrically Eraseable Programmable Read Only
Memory). Il s'agit d'un composant dont le contenu peut être effacé à l'aide d'un signal
électrique. Pour flasher (modifier) le Bios de votre carte, vous devez disposer d'un programme
de flashage et du fichier contenant le code du nouveau Bios.
Les cartes sans cavaliers sont à paramétrer dans le BIOS. Les cavaliers (jumpers) sont de petits
morceaux de métal recouverts de plastique qui permettent à l'électricité de passer, un peu comme
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un interrupteur. Les cartes mères à base de cavaliers disparaîssent au profit de cartes sans
cavaliers (jumperless) que l'on paramètre sous le BIOS.
L’utilisateur a également la possibilité de modifier certains paramètres du BIOS. Il accède en fait
à une partie nommée SETUP dont la configuration (des mémoires, des disques durs …) est
enregistrée dans une mémoire de type CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductor :
Technique de fabrication de composant électrique faible consommation). Une pile au lithium,
placée sur la carte mère), permet de maintenir en mémoire les différents paramètres. En cas de
problèmes (mauvais paramétrage, mot de passe SETUP oublié …), on peut alors retirer cette pile
et attendre quelques secondes avant de la remettre, pour permettre la réinitialisation. Cette
dernière est également utilisée par le RTC - Real Time Clock- lorsque le PC est éteint.
Si jusqu'aux premiers PENTIUM, vous pouviez rencontrer les BIOS de marque Award et AMI,
seul Award subsiste (excepté pour certains produits de marque).
Certaines cartes mères mettent parfois en place, selon le standard SMBIOS/DMI (fabricant,
numéro de série, version du BIOS, etc) une fonction DMI.
La DMI (Desktop Management Interface) est un standard défini par la DMTF (Desktop
Management Task Force, qui décrit les ressources matérielles d’un ordinateur. Ce standard
permet d’obtenir plusieurs types d’informations sur votre matériel... mais il est très mal
implémenté par les fabricants. Donc, vous n’obtiendrez pas forcément la totalité des
informations...( http://www.dmtf.org/standards/smbios)
8] Les compléments de la carte mère
Il existe de nombreuses sortes de cartes mères. Avec les progrès de l'intégration, plusieurs
fabricants ajoutent aujourd'hui des fonctions autrefois assurées par des cartes d'extension et des
périphériques. Le prix est un peu plus élevé, mais on économise ainsi un ou plusieurs
connecteurs d'extension. Cela dit, il est toujours possible de désactiver ces fonctions dans le
SETUP, si l'on préfère utiliser une carte d'extension présentant de meilleures performances.
Le contrôleur graphique:
L'ajout du contrôleur graphique qui permet de relier la carte mère au moniteur est assez fréquent,
surtout sur les cartes mères équipant de PC très compacts.
Les circuits audio:
Le développement du multimédia a incité les concepteurs de cartes mères à intégrer le circuit
équipant les cartes audio standard du marché.
L'adaptateur réseau:
Certains PC sont équipés de contrôleur Ethernet intégré. Il ne manque plus alors qu'un simple
câble pour relier l'ordinateur au réseau.
Le contrôleur SCSI:
Le contrôleur SCSI peut être intégré à la carte mère, il permet d'utiliser des disques durs et de
relier directement au PC des périphériques, comme des scanners ou des sauvegardes rapides.
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