ARCHITECTURE ET FONCTIONNEMENT

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1 ORAL PROBATOIRE OPTION SYSTEMES D INFORMATION ARCHITECTURE ET FONCTIONNEMENT D UNE CARTE MERE POUR PC PETITGAND Gérald Session 2004

2 Sommaire Introduction 3 1. Architecture d une carte mère L'évolution de la micro-informatique Le modèle d architecture Structure d'un ordinateur Les processeurs 9 2. Fonctionnement d une carte mère pour PC Principe de fonctionnement Fonctionnement de l'unité centrale Exécution d'un programme La carte mère et ses composants Fonctionnement de la carte mère 9 3. Le futur Les constructeurs de cartes mères Les nouvelles technologies dans la carte mère Futur proche Les tendances 9 Au final 9 Glossaire 9 Bibliographie 9 Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 2/30

3 Introduction Mon probatoire a pour sujet l architecture et le fonctionnement d une carte mère pour «Personnal Computer» ou PC. L architecture des machines en informatique a été modelée par l esprit des hommes. Les «PC» que nous connaissons aujourd hui, ont suivi un cheminement intimement lié à l histoire et aux besoins des hommes. Le PC appartient à la catégorie qu on appelle la micro-informatique. C était la plus petite catégorie d ordinateur par rapport au mini-ordinateur, serveur et autre mainframe. Dans tous les cas, l intérieur des PC renferme une carte mère. Ce concept de «Personnal Computer» a été créé par IBM au début des années 80. IBM n avait pas imaginé les potentialités de ce type de petit ordinateur. La micro-informatique 1 était née. Philippe Dreyfus a créé le terme «informatique» en 1962 par la réunion des deux termes information et automatique. C est la science qui traite automatiquement l'information. Il existe deux types d information, à savoir les informations analogiques et numériques. L'information analogique a comme support un signal continu ou une oscillation dans une ligne électrique. Quant à l information numérique, celle-ci désigne l'information codée de façon symbolique par des chiffres. A l heure actuelle nous assistons à une mutation du marché de la micro-informatique. Il y a une séparation distincte entre le PC de bureautique que nous utilisons au quotidien au travail et le PC personnel de notre domicile. Le PC personnel rentre en concurrence avec le PC portable qui offre les mêmes fonctionnalités et un coût tout à fait abordable. De ce fait, le marché devient incertain pour le PC personnel concurrent de nouvelles technologies tel que le Portable, le Pocket PC ou la tablette PC. L architecture et le fonctionnement de tous ces appareils reposent toujours sur le même système de traitement. Je me focaliserai uniquement sur les cartes mères de PC dites «standard» présentes dans nos PC personnel qui offrent un certain nombre de possibilités. Avant d aborder la partie physique de l architecture d une carte mère, je vous présenterai brièvement les grandes étapes de l évolution des machines informatiques jusqu à la microinformatique que nous utilisons au quotidien. Dans la première partie, je traiterai de l évolution de l informatique et je vous citerai quelques événements décisifs. Ensuite je vous exposerai le modèle de base sur lequel tous les systèmes s appuient depuis plus de cinquante ans. Dans une seconde partie, je vous éclairerai sur son fonctionnement en abordant tout d abord le fonctionnement de l unité centrale, puis les composants indispensables d une carte mère. Pour chacun des éléments, je vous indiquerai leurs rôles et leurs fonctionnements au sein de cette dernière. Ainsi pour mieux interpréter son fonctionnement global, nous verrons la carte mère dans ses détails. Pour finir, on s orientera vers le futur avec un aperçu de toutes les nouvelles technologies que renfermeront les futures générations de cartes mères et les tendances à venir pour le marché du PC sous toutes ses formes. 1 Voir glossaire Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 3/30

4 1. Architecture d une carte mère Le mot «architecture» vient du latin architectura, signifiant art de construire. Il s agit du produit de l'art de l'architecte qui imagine et conçoit un arrangement ordonné et structuré des composants. Les ordinateurs traitent des informations digitales codées en base 2 (binaire). Le message transmis est alors constitué par des successions (ou paquets) de chiffres, sous forme de signaux binaires. La théorie de l'information développée par Claude Shannon en 1948, fournit une mesure de quantité d'information. Son unité est le "le bit" (Binary digit ; digit = nombre, d'où digitaliser = numériser). Le Bit est la quantité d'information contenue dans le choix élémentaire entre deux possibilités 0 ou 1, comme c est le cas du lancé d'une pièce de monnaie pour obtenir pile ou face. La carte mère est la carte principale du PC, c est l élément prépondérant de l ordinateur. En effet, un ordinateur sans carte son ou carte réseau pourra toujours fonctionner. Dans cette première partie nous allons traiter de l évolution de l informatique puis du modèle d architecture et de ses composants d où elle tire son fonctionnement. Pour finir nous aborderons deux points importants que sont la structure d un ordinateur et les différents types de processeurs qui y sont intégrés L'évolution de la micro-informatique Certains classent l'informatique dans les «Nouvelles Technologies» alors qu elle est née lors de la deuxième guerre mondiale, il y a plus d'un demi-siècle! Avant d aborder l architecture d une carte mère, nous allons retourné aux origines de l informatique et nous allons souligner quelques étapes importantes de son évolution Les origines A ces débuts, il s'agissait d'énormes ensembles qui, comme les postes de radio de l'époque, utilisaient des lampes électroniques. La vraie révolution fut la mise au point du transistor, base de l'électronique moderne, qui permettait un gain de place considérable tout en ne demandant que très peu de puissance électrique. D'abord à base de Germanium, le transistor avait un gros défaut : il ne supportait pas la chaleur. Au dessus de 40, il cessait de fonctionner. Cet inconvénient majeur disparut avec l avènement du Silicium (Silicon en Anglais). C'est grâce à ce matériau que l'informatique a pu se développer dans les domaines autres que le militaire Les progrès Progressivement la situation a évolué ; les ordinateurs étaient de plus en plus puissants et plus performants. La location des matériels, proposée en particulier par IBM, était la pratique la plus courante. Elle permettait de changer d'ordinateur au fur et à mesure des besoins, sans investissement. Certaines écoles d'ingénieurs dispensaient des cours d'initiation et de formation à l'informatique ; des écoles spécialisées dans la formation d'analystes et de programmeurs, virent le jour. Dans les entreprises, les utilisateurs ont été associés à la mise au point de projets qui prenaient place dans des plans à court, moyen et long terme. Ils étaient invités à faire connaître leurs besoins. Très vite le résultat en fut que les plans s'étalaient sur des périodes de plus en plus longues, de quoi décourager ceux qui avaient compris tout l'intérêt du traitement de Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 4/30

5 l'information! Par ailleurs, naquit dans les années 1970 le besoin d obtenir les résultats très rapidement et même faire du traitement "en temps réel" Les circuits intégrés Un circuit intégré (integrated circuit, ou IC, en anglais) est un composant qui renferme (qui "intègre") dans un unique petit boîtier, un nombre important de composants, notamment des transistors. Un processeur, par exemple, en intègre plusieurs millions. La fabrication industrielle des circuits intégrés constitue la seconde grande étape de cette évolution. Cette technologie va permettre d'une part, de réduire considérablement la taille des ensembles électroniques, et d'autre part, de concevoir des circuits plus complexes. Ainsi apparaissent sur le marché les premiers microprocesseurs. Pendant cette même période, le support magnétique va connaître des progrès importants qui, alliés aux progrès de la mécanique de haute précision, permettent la conception de cartes magnétiques, de tambours, de disques souples et enfin de disques durs. Ces deux éléments vont permettre la conception des premiers micro-ordinateurs qui virent le jour à la fin des années 1970, début des années La fabrication des premiers micro-ordinateurs construits autour d'un processeur Motorola 6800 remonte à cette période IBM s'en mêle Les années 80 voient l'évolution de ces curieuses petites machines. Il faut préciser que les constructeurs, nombreux au départ, ne savent pas très bien à quelle clientèle ils destinent leurs produits. C'est d'abord au grand public qu'ils s'adressent pour se rendre compte très vite que ce marché est très restreint. Sous l'impulsion d'apple, ils se tournent vers les entreprises. IBM qui n'avait pas cru aux possibilités de ces petits ordinateurs, prend alors conscience de son retard et élabore un projet pour lequel elle n'a pas ni le temps de concevoir et produire un processeur, ni de mettre au point un système d'exploitation. Elle se tourne vers Intel pour la production du microprocesseur et passe un accord avec une toute jeune société, Microsoft, pour le système d'exploitation. C'est ainsi qu'est apparu sur le marché un produit qui, faute de mieux, est appelé «Personnal Computeur» ou «PC». Mais cet ordinateur n'est pas protégé par des brevets. De nombreuses sociétés vont s'engouffrer dans la brèche et produire des machines "compatibles PC". Le grand public, qui est informé du développement rapide du microordinateur en entreprise, se tourne vers d'autres réalisations, à priori, plus ludiques mais qui sont en fait capables de traiter avec facilité une grande variété d'applications Aujourd'hui Les années 90 ont été marquées par la suprématie grandissante de l'ensemble des compatibles PC et la disparition progressive des autres marques exception faite d'apple qui réussit un rétablissement spectaculaire malgré une part de marché qui a beaucoup diminuée. Il faut souligner, pour cette décade, les progrès considérables des technologies des processeurs pour cartes graphiques. En effet, il y a maintenant quasiment autant de transistors dans un processeur graphique que dans un processeur d unité centrale 2! 1.2. Le modèle d architecture L architecture de base des ordinateurs est issue d un modèle qui a été amélioré mais qui n a pas pour autant subie de refonte complète. 2 Voir glossaire Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 5/30

6 Ces grands principes restent d actualité. Nous allons aborder les différents éléments qui composent la machine Von Neumann Architecture de Von Neumann Tous les ordinateurs partagent la même architecture de base. Tous ont une mémoire, un système d'entrée/sortie, l'unité d'arithmétique/logique, et une unité de commande 3. Von Neumann était un mathématicien qui a travaillé sur la première génération d ordinateur à base de tube à vide ( ). Il a participé à la construction de l ENIAC en 1953 avant de constituer sa propre équipe. Pour information l ENIAC pesait 30 tonnes, il avait 20 registres de 10 chiffres. Figure 1 : machine de Von Neumann simplifiée La première machine avait une mémoire de 4096 mots répartie de la manière suivante : 1mot = 40 bits = 2 instructions de 20 bits = 8 bits pour le type d instruction +12 bits pour adresser un des mots en mémoire L accumulateur sert à ranger en mémoire des données/des mots. Un ordinateur possède un jeu d instruction situé au plus bas niveau : c est le langage machine correspondant au jeu d instructions qui définit un langage. Le langage de bas niveau (L1) et le matériel (M1) sont étroitement liés. Nous pouvons construire un langage L2 à partir du langage L1 pour en simplifier l accès et la compréhension. L niveau électronique L2 ADD α β niveau registre 4 L3 add(α,β) niveau d écriture Le but des différents langages est d obtenir un langage plus simple en réduisant la complexité et le coût des matériels : étant plus simples, ils sont plus accessibles donc plus demandés et plus fabriqués d où des économies d échelles. Il existe deux méthodes différentes pour exécuter un programme écrit en langage L2. 3 Voir glossaire 4 Voir glossaire Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 6/30

7 Traduction : les instructions L2 sont remplacées par des instructions L1 puis exécutées. Interprétation : un programme écrit en L1 est capable d analyser et d exécuter des instructions en L Mémoire La mémoire d'un ordinateur est le sous-ensemble qui sert de mémoire temporaire à toutes les instructions et données de programme exécutées par l'ordinateur. Cela s'appelle typiquement la mémoire de RAM divisée en cellules, chaque cellule ayant une adresse unique de sorte que les données puissent être cherchées. Figure 2 : technologie des mémoires La mémoire RAM (Random Access Memory) est une mémoire à accès aléatoire dans laquelle il est possible de lire et d écrire des informations. Le temps d accès est indépendant de la cellule à accéder : c est une mémoire volatile. La mémoire RAM statique garde l information tant que l alimentation est présente. L information est persistante (principe de la bascule). Elle se trouve au niveau de l antémémoire. La mémoire RAM dynamique est une mémoire où l information doit être rafraîchie. Ces mémoires sont réalisées par le couplage d un condensateur et d un transistor. Son coût est très faible car elle est simple à faire et elle est très rapide. La contrainte est la «relecture périodique» pour entretenir l information. La mémoire ROM (Read Only Memory) est une mémoire morte. Il est juste possible de lire les informations. C est une mémoire non-volatile. Elle apparaît dans le microprocesseur et dans le BIOS. La mémoire PROM (Programmable ROM) est programmable une seule fois par l utilisateur. La mémoire EPROM (Erasable PROM) s appuie sur le même principe est offre la possibilité d effacer quelque fois. Pour effacer les informations, il suffit de l exposer aux UltraViolets. Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 7/30

8 La mémoire EEPROM (Erasable Electrique PROM) a les mêmes possibilités de réécritures mais pour effacer les informations il suffit de faire une impulsion électrique. Toutes ces mémoires ont chacune des propriétés différentes. Elles jouent toutes un rôle au sein d un ordinateur L adressage de la mémoire Une mémoire est formée de cellules, chaque entité a un numéro d'adresse. Toutes les cellules de la mémoire possèdent le même nombre de bits. Pour une adresse codée sur n bit, le nombre de cellules adressables est de 2 n. Entre les différentes organisations d adressage le temps d accès varie du simple au double. Figure 3 : trois organisations d'une mémoire de 96 bits Hiérarchie des mémoires Les différences entre les mémoires sont dues au temps d'accès, à sa capacité et au coût par bit. Le temps d accès, c est le temps qui s écoule entre le lancement d une opération d accès et son accomplissement. La capacité est la taille d un élément par exemple d un disque dur de 30 Giga Octet. L unité est l Octet. L idéal serait d avoir une mémoire centrale très grande et très rapide, mais cette solution est trop coûteuse et trop complexe. Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 8/30

9 Figure 4 : hiérarchie des mémoires Registres du CPU : Ils sont les éléments de mémoires situés dans l unité centrale de traitement. Ils se caractérisent par une très grande vitesse et servent principalement au stockage des opérandes et des résultats intermédiaires. Antémémoire : C est une mémoire rapide de faible capacité qui sera utilisé comme tampon entre le CPU 5 et la mémoire centrale. Il permet de limiter le nombre d accès à la mémoire centrale. Mémoire centrale : C est l unité où l on stocke toutes les informations. Mémoire d appui : Elle sert d intermédiaire entre la mémoire centrale et la mémoire auxiliaire. Mémoires auxiliaires : C est une mémoire de grande capacité à coup réduit. Nous les retrouvons dans différentes étapes du traitement de l information, en allant du processeur aux périphériques extérieurs Entrée-sortie C'est le sous-ensemble qui permet à l'ordinateur d'agir l'un sur l'autre avec d'autres dispositifs et de communiquer au «monde extérieur». En général, le monde intérieur est ce qui se trouve entre le processeur et la mémoire principale (inclus). Ce système doit s'occuper des différentes exigences des périphériques : - Sélection (en général il y a plus d'un périphérique, qui peuvent avoir plusieurs choses à dire) - Taux de transfert (en général très faible par rapport à la vitesse du processeur) - Taille des transferts (octet pour un clavier, blocs ou secteurs pour un disque) - Synchronisation. Il est également responsable de l envoie et de la réception des données entre l unité centrale et le «monde extérieur» Unité arithmétique et logique C'est ce sous-ensemble qui effectue toutes les opérations et comparaisons arithmétiques pour l'égalité. Dans la conception de Von Neumann, l'unité de commande est les composants séparés. Auparavant, l UAL était le processeur, désormais, c'est simplement une partie de celui-ci, qui à ce titre a beaucoup gagné en complexité. Dans les systèmes modernes, il est intégré dans le processeur (Intégration d'un cache, d'une unité de gestion de la mémoire...). L'UAL 6 a deux sections : le registre, les circuits d'ual. Les circuits d'ual sont ceux qui exécutent réellement les calculs et ils sont constitués des portes logiques : ET, OU, et NON. 5 Central Processing Unit (Voir glossaire) 6 Voir glossaire Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 9/30

10 Unité de commande L'unité de commande a la responsabilité de chercher de la mémoire pour la prochaine instruction de programme, ensuite de la décoder pour déterminer ce qui doit être fait. L'issue de la commande appropriée, l'ual a traité l instruction et renvoie le résultat à la mémoire centrale et aux contrôleurs d'entrée/sortie. Ces étapes sont faites sans interruption jusqu'à ce que la dernière ligne d'un programme soit réalisée, qui est habituellement stoppée ou arrêtée. Au niveau machine, les instructions exécutées par l'ordinateur sont exprimées en langage machine. Le langage machine est en code binaire et est organisé par code d opération et zones adresses. Les codes d opération sont des codes binaires spéciaux qui indiquent à l'ordinateur quelles sont les opérations à effectuer. Les zones adresses sont des endroits dans la mémoire sur laquelle ce code opération particulière agira. Toutes les instructions de langage machine sont organisées avec le code opération en premier, puis suit l'adresse de la mémoire. Voici un exemple : supposons que nous voulons ajouter le chiffre 2 qui est situé dans la mémoire à la position 99 et 100. Supposons que la décimale 9 est le code d opération pour la fonction ajouter. Le format puis, pour la commande serait Naturellement, c'est sous forme décimale dont l'ordinateur le voit. Convertissez ces derniers en binaire pour obtenir : L'ensemble de toutes les opérations qu un processeur peut faire s'appelle son ensemble d'instruction CPU Le Central Processing Unit (CPU) ou Processeur est l unité de contrôle et de calcul d un ordinateur. Ce dispositif permet l interprétation et l exécution des instructions. Les macroordinateurs et les premiers mini-ordinateurs contenaient des cartes munies de nombreux circuits intégrés qui constituaient l unité centrale de traitement. Des unités centrales de traitement équipées d une seule puce, appelées microprocesseurs, ont permis l apparition des ordinateurs personnels et des stations de travail. Les puces Motorola 68000, 68020, et ainsi que les puces Intel 8080, 8086, 80286, 80386, i486 et Pentium sont des exemples d unité centrale sur une seule puce. Par définition, l unité centrale se comporte comme le «cerveau» d un ordinateur. Le terme unité centrale désigne aussi le microprocesseur et parfois le boîtier qui contient la carte mère, le microprocesseur, les mémoires. Ce terme s utilise alors par opposition aux périphériques. L unité centrale s abrège en UC. Nous listerons ses éléments dans la structure d un ordinateur Structure d'un ordinateur Figure 5 : Organisation d'un ordinateur simple Le CPU est le moteur de la machine. Il doit exécuter les programmes stockés en mémoire. La mémoire centrale contient programmes et données. Le système d'exploitation est un programme système qui gère les différentes ressources de la machine. Ces différents éléments échangent des informations par l intermédiaire d un canal d information, le bus 7. 7 Voir glossaire Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 10/30

11 Le bus Un bus peut être utilisé par toutes les unités qui y sont connectées, mais jamais plus de deux unités en même temps à cause des problèmes d'attente et d'arbitrage des requêtes. Il existe deux types de bus : synchrones et asynchrones. La présence d'un arbitre est nécessaire pour résoudre les situations conflictuelles ; l'arbitre définit le prochain utilisateur du bus. Arbitre à un niveau de priorité basé sur la technique de chaînage des unités. Dans le cas de la figure 6, l arbitrage est simple, l allocation du bus se fait d une manière séquentielle. Figure 6 : Requête de bus L'unité centrale L unité centrale est composée de : - L UAL, endroit où sont réalisées les opérations arithmétiques et logiques. - L'unité de commande, dirigeant le fonctionnement des autres unités en déclenchant les signaux de cadence et de commande. - Le registre, mémoire très rapide qui permet de stocker les résultats intermédiaires. - Le bus, ensemble de ligne capable de transmettre des signaux correspondant à des adresses, des données et des commandes Les processeurs L objectif de l homme a toujours été d aller plus vite. La première génération exécutait une instruction à la fois, d où l idée d avoir des systèmes plus rapides et d obtenir des systèmes de plus en plus performants en exécutant des instructions en parallèle. Problèmes : Plus on augmente la vitesse, et plus on est confronté à un dégagement de chaleur. Le problème thermique est un enjeu crucial. Solutions : Les super-ordinateurs sont immergés dans du fréon liquide (très cher). Une autre solution est d utiliser plusieurs UAL, moins rapide, moins cher, en parallèle. Classification de Flynn en 1971 repose sur deux paramètres : le nombre de flux de données et le nombre de flux d'instructions ce qui nous donne quatre catégories. SISD : Single Data Single Instruction ( Von Neumann) SIMD : Single Data Multiple Instruction ( processeurs vectoriels) MIMD : Multiple Data Multiple Instruction ( systèmes multi-processeurs, multi-cores) MISD : Multiple Data Single Instruction ( n'existe pas) Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 11/30

12 Machines Pipeline (SISD) : Une instruction est chargée avant que la précédente ne soit exécutée. Dans la figure 7 la machine de Von Neumann est améliorée. Cette solution a l avantage d optimiser le temps machine. Pour un seul cycle d horloge plusieurs instructions sont réalisées. De manière séquentielle plusieurs programmes sont exécutés l uns derrières les autres. Figure 7 : Traitement d instructions en flux continu Plusieurs UAL spécialisées sont utilisées dans un traitement précis. Cette stratégie est valable si le temps de calcul est plus long que le temps de chargement. Machines vectorielles (SIMD) : Le chemin de données est identique à celui d'une machine SISD mais un vecteur en entrée de l'ual est utilisé au lieu d une variable. Une seule unité de commande est valable pour toutes les UAL. Machines multi-traitement (MIMD) : Une unité de commande, un analyseur d'instructions, plusieurs UAL spécialisées. Lorsqu'un opérateur est occupé, les autres sont libres et une nouvelle instruction peut être prise en compte. Après avoir présenté les différents éléments d architecture qui composent une carte mère, je vais vous présenter maintenant le fonctionnement de la carte mère avec tous les éléments qu on y trouve greffé. Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 12/30

13 2. Fonctionnement d une carte mère pour PC 2.1. Principe de fonctionnement Le fonctionnement actuel est fondé sur un principe ancestral depuis le premier ordinateur. Se fonctionnement s appuie sur l architecture de Von Neumann que nous avons précédemment abordé. Nous allons désormais chercher à comprendre le fonctionnement de la carte mère et de chacun de ses composants. Tout d abord, nous allons appréhender le fonctionnement de l unité centrale. Puis nous aborderons la carte mère dans son ensemble afin d interpréter son fonctionnement Fonctionnement de l'unité centrale Le CPU (Central Processing Unit) englobe à la fois l unité de calcul et l unité de commande. L'unité de commande s'occupe de gérer l'exécution des instructions ; elle contient deux registres importants : - RI : registre d'instruction qui contient l'instruction en cours d'exécution. - CO : compteur ordinal qui contient l'adresse de la prochaine instruction à exécuter. Figure 8 : fonctionnement de l unité centrale Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 13/30

14 Fonctionnement de l'unité centrale : 1. Chargement de la prochaine instruction à exécuter depuis la mémoire jusque dans le registre d'instruction. 2. Modification du compteur ordinal pour qu'il pointe sur l'instruction suivante. 3. Décodage de l'instruction que l'on vient de charger. 4. Localisation dans la mémoire des éventuelles données utilisées par l'instruction. 5. Chargement des données, si nécessaire, dans les registres internes de l'unité centrale. 6. Exécution de l'instruction. 7. Stockage des résultats à leurs destinations respectives. 8. Retour à l'étape Exécution d'un programme Figure 9 : Schéma général d'un ordinateur Dans ce schéma, nous pouvons observer les interactions existantes entre chaque dispositif. 1- Un programme et des données sont chargés en mémoire centrale. 2- Les instructions sont amenées séquentiellement à l'unité de contrôle qui analyse et déclenche le traitement approprié en envoyant des signaux à l'ual (3). Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 14/30

15 Remarque : Le traitement peut nécessiter de faire appel aux unités d'e/s ou à la mémoire centrale. Dans la mémoire centrale, les instructions sont en code machine et les données sont en ASCII La carte mère et ses composants La carte mère La carte est un circuit intégré avec de nombreux connecteurs, puces et éléments électroniques (condensateurs, transistors, résistances ). Figure 10 : Schéma général d'un ordinateur La figure 10 est une vue en trois dimensions de la carte mère. Les éléments les plus importants sont mis en relief. La carte mère est en fait le système nerveux du PC. C'est sur elle que sont connectés tous les éléments du pc. Une carte mère comporte toujours les éléments suivants : - Un chipset - Un BIOS (basic input output system, c'est la mémoire de démarrage du PC) - Une horloge interne gérée par une pile lorsque le PC est éteint - Un bus système (chemin reliant le processeur à la mémoire vive sur la carte mère) Nous différencions les cartes mères grâce au : - Facteur d'encombrement - Chipset - Support de processeur 8 acronyme de American Standard Code Information Interchange (Voir glossaire) Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 15/30

16 Figure 11 : éléments caractéristiques d une carte mère Nous allons détailler tous les éléments que nous voyons dans la figure Entrée / Sortie Le port entrée/sortie est un canal de transfert des données entre un périphérique et le microprocesseur. Le microprocesseur considère le port comme une ou plusieurs adresses mémoire qu'il peut utiliser pour envoyer ou recevoir des données. Si nous captons les informations extérieures avec nos sens, l'ordinateur le fait avec ses prises d'entrée/sortie. Les ports de sortie permettent, tout comme l'affichage, d'envoyer les données à l'extérieur du micro. Les ports PS2 sont des ports d'entrée uniquement (clavier et souris). Les autres ports sont généralement bidirectionnels (USB, parallèle, série, etc.). Lorsque nous frappons sur une touche du clavier par exemple, le code de la lettre est stocké dans une mémoire tampon appelée «buffer». Une alerte, appelée interruption, est alors envoyée au système d'exploitation, qui traite l'information. Dans le cas d'un traitement de texte, l'information est envoyée au logiciel, qui la stocke en mémoire et envoie une demande d'affichage à la carte graphique Le chipset Il existe de nombreux chipsets avec des caractéristiques et fonctionnalités différentes mais nous pouvons les classer dans deux grandes familles distinctes. Ceux qui sont compatibles avec l une ou l autre des deux principales familles processeurs du marché. Elles sont respectivement le Pentium 4 pour Intel et le Athlon pour AMD. Figure 12 : exemple de chipset Le chipset (ensemble de puces) est un circuit électronique qui est chargé de coordonner les échanges de données entre les divers composants de l'ordinateur (carte graphique, processeur...). Il est important de choisir une carte mère embarquant un chipset récent afin de garantir au PC une évolution possible sans être contraint de changer la carte mère. D'autre part, le chipset peut gérer de nombreuses fonctions telles que : - L'UDMA Le Serial ATA (SATA) - Le RAID Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 16/30

17 - l'usb Le son intégré avec enceintes Le réseau - Le chipset graphique intégré - Le FireWire Sans un bon chipset, le PC ne pourra évoluer facilement et à moindre coût. Certains chipsets intègrent une puce graphique, audio, réseau, modem, etc. Cela signifie qu'il n'est plus nécessaire d'acheter ces composants car ils se trouvent déjà sur la carte mère, soudés. Toutefois, mieux vaut désactiver ces composants vraiment peu performants et en installer de véritables sur les ports PCI. Cela a un coût plus élevé mais ils s avèrent plus performant. Figure 13 : débit autour d un chipset Le «northbridge» est la partie nord du chipset chargée de communiquer avec la mémoire, le processeur et la carte graphique AGP. Le «southbridge» est la partie sud du chipset, chargée de communiquer avec les autres périphériques. A noter que les débits que gère «northbridge», sont plus élevés que le «southbridge». Nous pouvons voir dans l exemple qui suit que la partie nord les débits sont exprimés en Giga Bytes par seconde contrairement à la partie sud qui sont exprimés en Méga Bytes par seconde. Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 17/30

18 Figure 14 : exemple avec le chipset Intel I875P. La figure 14 nous présente le chipset Intel. Nous retrouvons le «NorthBridge» (82875P) et «SouthBridge» (ICH5/ICH5R). Ces deux parties sont interconnectées par une connexion spécifique (Intel Hub Architecture) L'horloge temps réel C'est un circuit chargé de la synchronisation des signaux du système. Elle est constituée d'un cristal qui en vibrant, donne des impulsions afin de cadencer le système. Nous appelons fréquence d'horloge le nombre de vibrations du cristal par seconde. Plus la fréquence est élevée, plus le système pourra traiter d'informations. Cette fréquence se mesure en MHz. Un Méga Hz équivaut à un million d'opérations par seconde La pile du CMOS Lorsque nous éteignons notre ordinateur, il conserve l'heure et tous les paramètres qui lui permettent de démarrer correctement. Cela vient d'une pile plate au format pile bouton. Le CMOS 9 est une mémoire lente mais qui consomme peu d'énergie. C est pourquoi on l'utilise dans les PC alimentés par des piles à l'arrêt. Si l'heure du PC commence à retarder ou si elle change brutalement, alors il devient nécessaire de changer la pile. Le retrait de la pile permet aussi de restaurer les paramètres par défaut du BIOS. Si des modifications on était réalisées sur le BIOS et que par malchance le PC ne démarre plus, alors il suffit d enlever puis de remette la pile peu de temps après Le BIOS Le BIOS (Basic Input Output System) est un programme de base permettant de charger les périphériques au démarrage avant le système d'exploitation et de communiquer avec celuici. Il est stocké dans une mémoire ROM (read only memory) et il utilise les données contenues dans le CMOS pour connaître la configuration du système. Il est possible de modifier les paramètres du BIOS par l'appui d'une touche au démarrage de l'ordinateur (en général, «Supprimer» ou F2). 9 Complimentary Metal-Oxide Semi conductor (Voir glossaire) Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 18/30

19 Les interfaces Il existe trois interfaces d entrée/sorties sur des supports de masses. En allant de plus répandu au moins répandu, ces interfaces sont les suivantes L interface IDE L IDE (integrated device electronics) est un type d'interface de lecteur de disque dans laquelle les circuits du contrôleur résident sur le lecteur proprement dit, ce qui évite de recourir à une carte séparée. L'IDE offre des avantages tels que la mise en antémémoire pour de meilleures performances globales. Elle est très utilisée dans la micro-informatique. Cette interface permet de connecter un disque dur, un graveur, un lecteur DVD, etc Il existe deux normes : le format parallèle (P-ATA) et série ATA. Le système parallèle avec son système de nappe IDE, va être supplanté par le système série L interface SCSI Le SCSI (small computer system interface) est une interface parallèle à haut débit définie par l'ansi (American National Standards Institute). L'interface SCSI est utilisée pour connecter des micro-ordinateurs à des périphériques, notamment des disques durs et graveurs. Pour cette interface, il est nécessaire d ajouter une carte. Cette interface est très utilisée dans les serveurs. Le débit maximum est de 320 Mo/s L interface PCMCIA L interface PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) permet de connecter un périphérique amovible d'une taille proche de celle d'une carte de crédit. Cette interface se trouve uniquement sur les ordinateurs portables. Les périphériques PCMCIA peuvent être des modems, des cartes réseaux ou des disques durs. Le débit est de 125 Mo/s Les bus Les bus (ISA, PCI, AGP, ATA) pourraient être comparés aux nerfs du corps humain, ils font circuler les informations. Il s'agit en fait d'un ensemble de fils très fins qui relient deux éléments généralement le chipset et un composant (mémoire, processeur, etc.). Le nombre de fils détermine la largeur du bus. Par exemple, un bus de 32 bit transporte simultanément des vagues de 32 «0» et/ou «1». L autre élément descriptif du bus, est sa fréquence. Elle délimite le nombre de vagues transmises en une seconde. A 33 MHz, par exemple, 33 millions de vagues défilent en une seule seconde! C'est le cas du bus PCI, destiné à recevoir les cartes d'extension Le bus système Il est appelé aussi FSB pour «Front Side Bus». C est le bus qui assure le transport de données entre le processeur et la mémoire vive. C'est de lui dont il s'agit lorsque l'on parle de bus 133 Mhz, 266 Mhz Le bus série C'est le bus que tous les PC possèdent, celui qui débouche sur le port servant à brancher une souris ou un modem, ou encore certains périphériques de jeux. Ses défauts sont sa lenteur extrême car les données ne sont envoyées que bit par bit (0 ou 1). Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 19/30

20 Le bus parallèle C'est le bus qui communique avec le port parallèle, qui sert à brancher l'imprimante, le scanner, des graveurs externes, etc... Il est 8 fois plus rapide que le port série (les informations sont transmises par tranche de 8 bit, soit 1 octet à la fois), mais toujours lent si on le compare aux bus USB et FIREWIRE Le bus USB Le bus USB signifie Universal Serial Bus. Il est largement plus rapide que le bus parallèle et peut aller à la vitesse de 1.5 Mo par seconde pour l'usb 1.1. L'USB 2.0 peut quant à lui monter à 60 Mo par seconde. Il est relié au port USB qui sert à brancher presque toutes les périphériques du marché : webcams, modems, imprimantes, scanners, manettes de jeu... Son avantage est de pouvoir en théorie brancher 127 périphériques Le bus FIREWIRE Il permet de brancher 63 périphériques et offre des caractéristiques semblables à l'usb, en beaucoup plus performant : le bus firewire IEEE 1394 permet d'atteindre de 25 à 100 Mo par seconde. L'IEEE 1394 offre une interface numérique haute vitesse pour des applications audio/vidéo telles que la télévision numérique, la vidéo numérique, les périphériques de stockage et d'autres périphériques externes PC Les ports Une carte mère comporte un certain nombre de ports destinés à connecter différents périphériques. Voici les plus connus : ISA Le port ISA (industry standard architecture) : c'est le bus archaïque du PC avec le port série. Il fonctionne en 8 bit (1 octet) pour les ordinateurs anciens, ou 16 bit pour les ordinateurs récents disposant encore de ce type de bus. Son taux de transfert est d'environ 8 Mo par seconde pour le 8 bit et 16 Mo par seconde pour le 16 bit. Aujourd'hui, on ne trouve quasiment plus le port ISA du fait de sa lenteur par comparaison aux autres. Figure 15 : photo d un port ISA PCI Le bus PCI (peripheral component interconnect) est le bus qui est encore d'actualité sur PC avec l'agp. Son taux de transfert est de 125 Mo par seconde pour les processeurs 32 bit, deux fois plus pour les processeurs 64 bit. Il communique avec le port PCI. Le port PCI est bien plus rapide que l'isa, le port PCI est encore utilisé dans les configurations les plus récentes. Il n est trop lent que pour les cartes graphiques, lesquelles utilisent un port encore plus rapide, le port AGP. Il existe maintenant une nouvelle norme le «PCI express» avec bande passante beaucoup plus élevée. Figure 16 : photo d un port PCI. Petitgand Gérald Oral probatoire système d information 20/30

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