LES PRINCIPAUX BUS DEFINITIONS

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1 LES PRINCIPAUX BUS DEFINITIONS Les différents composants d'un ordinateur sont interconnectés par des systèmes de câblage assurant la transmission des signaux nécessaires à son fonctionnement. Comme il n'est guère envisageable de relier chaque unité à toutes les autres de l'ordinateur, on fait appel à des lignes exploitées en commun par tous les dispositifs qui y sont rattachés ; on appelle bus ces ensembles de câbles par analogie avec les transports urbains du même nom. Un bus peut être utilisé par toutes les unités qui y sont connectées, mais jamais par plus de deux d'entre elles en même temps ; cela pose donc des problèmes d'attente et d'arbitrage de requêtes d'utilisation. Un circuit spécial, appelé contrôleur de bus, est chargé à cet effet d'organiser l'ensemble des accès et d'éviter les conflits qui pourraient survenir au sein de l'ordinateur. Un bus est capable de véhiculer des signaux correspondant fondamentalement à trois types d'informations : adresses (qui identifient l'emplacement d'un périphérique ou d'une donnée en mémoire), données et commandes (telles que par exemple les signaux d'horloge de synchronisation). Un bus est enfin caractérisé par le nombre et la disposition de ses lignes ainsi que par sa fréquence de fonctionnement exprimée en mégahertz (MHz) : un bus qui comporte par exemple 16 lignes parallèles est un bus 16 bits, ce qui signifie que chacune des lignes est à même de transporter 1 bit à la fois. La fréquence de fonctionnement de ce bus permet de calculer sa bande passante, c'est à dire le débit d'informations qu'il peut véhiculer dans un même laps de temps. Si notre bus 16 bits évolue à une fréquence de 8 MHz (rappel : 1 Hertz = 1 impulsion/s), on peut estimer sa bande passante théorique maximale à : 8 x 16 = 128 Mbit/s, soit 128/8 = 16 Mo/s. LES PRINCIPAUX BUS D'UN ORDINATEUR Le bus processeur constitue le canal de communication entre le processeur central, les puces complémentaires qui lui sont associées (habituellement réunies sous l'appellation chipset) et la mémoire cache externe. Le rôle de ce bus est de transférer des signaux de et vers le processeur à une rapidité maximale, c'est pourquoi il est beaucoup plus véloce que les autres bus du système. Le bus mémoire assure le transfert des données entre le processeur et la mémoire principale (RAM). Le taux de transfert des informations qui transitent par le bus mémoire est bien inférieur à celui des informations véhiculées par le bus processeur, ce qui nécessite la mise en place d'un contrôleur mémoire chargé de vérifier l'interface entre le bus processeur le plus rapide et la RAM la plus lente. Notons que l'interface du bus mémoire principal est toujours identique à celle du bus processeur : ainsi, sur un système équipé d'un processeur 64 bits (type Pentium), le bus mémoire est également de 64 bits ; ce nombre désigne la taille d'un blocmémoire. Si vous utilisez un processeur Pentium 64 bits, chaque bloc-mémoire ajouté à la RAM lors de toute opération doit nécessairement être de 64 bits. D'où certaines contraintes lorsque vous installez des barrettes de mémoire vive dans votre ordinateur en fonction de leurs caractéristiques : SIMM 32 bits, DIMM 64 bits, etc.). Le bus d'adresses et le bus de commandes sont en fait des sous-ensembles des bus processeur et bus mémoire. Ces derniers sont constitués de différentes lignes spécialisées, certaines d'entre elles chargées de véhiculer des adresses, d'autres des données ou des commandes ; les lignes d'adresses constituent le bus d'adresses, les lignes de commandes déterminent le bus de commandes (le bus processeur d'un Pentium est par exemple formé de 32 lignes d'adresses, 64 lignes de données et quelques lignes de contrôles) : Page -1-

2 Le bus d'adresses indique l'adresse mémoire ou l'adresse d'un autre bus utilisée lors d'un transfert de données au sein de l'ordinateur. La largeur du bus d'adresses conditionne également la quantité maximale de RAM que peut adresser le processeur (un bus d'adresses d'une largeur de 16 bits permet ainsi au processeur d'adresser 2^16 = adresses en mémoire). Le bus de commandes véhicule tous les signaux utilisés pour synchroniser les différentes activités qui se déroulent dans les unités fonctionnelles de l'ordinateur : signaux d'horloge, signaux de lectures/écritures, signaux d'interruptions, etc. Le bus de données (ou bus d'entrées/sorties) assure la transmission des données à traiter entre les différents éléments de l'ordinateur ; à ce titre, il est tout comme les bus d'adresses et de commandes un sous-ensemble des bus processeur et mémoire (rappelez-vous les 64 lignes de données du bus processeur du Pentium). Le bus d'e/s permet non seulement aux composants figurant sur la carte mère de communiquer des données entre eux, mais également d'ajouter des périphériques supplémentaires à l'aide de cartes d'extension ; à cet effet, le bus d'e/s est caractérisé par un certain nombre de connecteurs (ou slots). L'extension de la capacité d'un ordinateur grâce à l'ajout de périphériques est primordiale car les systèmes de base sont incapables de satisfaire toutes les attentes des utilisateurs : des composants indispensables peuvent alors être rattachés aux connecteurs du bus d'e/s, tels que cartes graphiques, cartes sonores, cartes d'interface réseau ou encore adaptateurs SCSI. Schéma fonctionnel des bus d'un système informatique traditionnel LES PREMIERS BUS D'ENTREES-SORTIES Le bus est un élément fondamental de l'architecture d'un ordinateur. Si vous possédez une configuration dotée d'un processeur ultra-rapide et de périphériques très performants mais d'un système de bus tournant au ralenti, vos composants ne pourront donner le meilleur de leurs performances. Ceci explique que depuis le premier PC, de nombreux bus d'e/s ont vu le jour successivement, avec une raison simple : le besoin croissant de performances toujours plus importantes des ordinateurs, lié à l'apparition de processeurs plus rapides, de logiciels plus exigeants et de besoins multimédias grandissants. Page -2-

3 Le bus ISA (Industry Standard Architecture) : c'est à l'origine le bus 8 bits qui équipait le premier PC d'ibm en 1981 ; il a ensuite été étendu à 16 bits pour l'ibm PC/AT de La toute première version du bus ISA fonctionnait à 4,77 MHz, mais l'extension à 16 bits a été suivie d'une élévation de la fréquence de fonctionnement du bus ISA à 6 puis 8 MHz. Par la suite, l'industrie dans son ensemble a choisi une vitesse standard de 8,33 MHz pour toutes les versions du bus ISA (8 et 16 bits). Le bus ISA a pendant longtemps constitué la base du micro-ordinateur personnel et correspond à la première architecture utilisée dans la grande majorité des systèmes PC jusqu'à la fin des années 1990, date à laquelle le bus ISA a peu à peu été remplacé en standard par le bus PCI. En 1993, Intel et Microsoft ont entrepris de modifier les spécifications du bus ISA pour aboutir à la nouvelle norme ISA Plug & Play : avec cette version, le système d'exploitation est en mesure de configurer automatiquement les périphériques nouvellement connectés sans que l'utilisateur doive ajuster manuellement ces paramètres au moyen de cavaliers (jumpers) ou d'interrupteurs sur le périphérique concerné. Il peut paraître étrange qu'un système aussi ancien ait été utilisé pendant plus de 20 ans, mais cela s'explique par des facteurs de fiabilité, de disponibilité et de compatibilité du bus ISA. S'il est indéniable qu'il est lent (8 Mo/s max.), le bus ISA est toujours plus rapide que bon nombre de périphériques modernes tels que des cartes son ou des modems ; en revanche, il est aujourd'hui complètement obsolète lorsqu'il s'agit de connecter des périphériques à haut débit tels que des adaptateurs graphiques 2D/3D ou des disques durs. Connecteur d'extension du bus ISA 16 bits Le bus MCA (Micro Channel Architecture) : l'avènement des processeurs 32 bits (avec le 386 d'intel en 1985) a rendu le bus ISA inapte à gérer la puissance de cette nouvelle génération de puces : quand un 386DX était capable de transférer 32 bits de données simultanément, le bus ISA ralentissait considérablement les opérations car limité à 16 bits. C'est pourquoi en 1987, IBM a tenté d'imposer un nouveau standard : le bus MCA, supérieur en tous points au bus ISA. Le bus MCA est un bus 32 bits, fonctionnant à 10 MHz, qui offre une grande facilité de configuration des périphériques connectés, sans cavaliers ni micro-interrupteurs. Mieux encore, il supporte également le bus mastering, c'est à dire la prise de contrôle du bus par n'importe quel périphérique qui y est connecté pour transférer des informations vers un autre composant, sans nécessiter l'intervention du processeur central, ce qui décharge celui d'autant de travail et lui laisse le loisir de s'occuper d'autre chose. Comme contrepartie, le bus MCA est parfaitement incompatible avec le standard ISA si bien que les nombreuses cartes d'extension conçues pour le bus ISA ne fonctionnent pas sur les systèmes MCA. Pour finir, IBM exigeait des royalties de la part des utilisateurs du nouveau modèle, ce qui a entraîné le rejet du bus MCA par l'ensemble de l'industrie et le développement du bus concurrent EISA. Le bus EISA (Extended Industry Standard Architecture) : il est apparu en septembre 1988 comme une réponse à l'introduction du bus MCA par IBM et la manière dont il comptait s'en servir. A l'origine du bus EISA on trouve neuf constructeurs compétiteurs d'ibm : AST Research, Compaq, Epson, Hewlett-Packard, NEC, Olivetti, Tandy, WYSE et Zenith Data System. Le bus EISA est un bus 32 bits tout comme le MCA d'ibm, évoluant à 8,33 MHz et compatible avec le standard ISA : il ajoute 90 nouvelles connexions à un connecteur classique ISA sans Page -3-

4 pour autant en modifier l'aspect ; dans ces conditions, les cartes ISA peuvent encore être utilisées avec des connecteurs d'extension EISA. Ce nouveau format utilise par ailleurs un système logiciel analogue à celui du bus MCA pour automatiser la configuration des cartes d'extension sans faire appel à des jeux de cavaliers ou d'interrupteurs. Fait nouveau, le bus EISA intègre pour la première fois la possibilité de partage d'une IRQ par plusieurs périphériques. LES BUS LOCAUX Les bus d'e/s présentés jusqu'ici ont un point commun : ils sont relativement lents. Cette vitesse restreinte est un héritage des premiers PC dans lesquels bus processeur et bus d'e/s partageaient la même fréquence d'horloge de 8 MHz. Les premiers problèmes ont réellement fait leur apparition au début des années 1990 avec le succès des interfaces graphiques telles que Windows : celles-ci nécessitent le traitement d'un si grand nombre de données vidéo que le bus d'e/s est devenu le goulet d'étranglement le plus important des systèmes informatiques - Quel intérêt de posséder un microprocesseur cadencé à 66 MHz si le taux de transfert des données sur le bus d'e/s ne peut excéder 8 MHz? La solution à ce dilemme a été trouvée en déplaçant certains connecteurs d'extension du bus d'e/s à un endroit où ils pourraient bénéficier de la vitesse élevée du bus processeur, un peu à la manière de la mémoire cache externe. C'est cette architecture qui porte le nom de bus local (local bus). Le bus local VESA (VESA local bus ou VLB) : pour améliorer les performances vidéo des systèmes informatiques, le bus local VESA a été mis au point en août 1992 par le comité VESA (Video Electronics Standards Association), une association à but non lucratif créée par la société NEC. L'idée de base du VL-Bus était de relier directement les broches du processeur en vogue à l'époque (l'intel 486) et de les enficher dans un support de connecteur d'extension ; le résultat consiste en une architecture bon marché, aucun chipset ou puce de contrôle supplémentaire n'étant nécessaire. Emplacement du bus VLB dans un système informatique Le bus VESA est un bus 32 bits pouvant théoriquement évoluer à la fréquence maximale de 66 MHz. En réalité, les caractéristiques électriques de son connecteur limitent la fréquence Page -4-

5 d'exécution à 40 ou 50 MHz et, en pratique, il s'est avéré que l'utilisation d'un VL-Bus à une vitesse supérieure à 33 MHz est susceptible d'engendrer de nombreux problèmes. Par conséquent, 33 MHz est devenu la vitesse maximale acceptable pour ce bus. Par ailleurs, la structure du VL-Bus tel qu'elle a été conçue au départ le rend indissociable du bus processeur du 486. Bien que le VL-Bus puisse être adapté sur d'autres processeurs (y compris le 386 ou le Pentium), la compatibilité reste difficile à atteindre et c'est en liaison avec un 486 que le VL-Bus offre les meilleures performances. Physiquement, le bus VESA est une extension des slots utilisés pour le système de base de l'ordinateur : sur une configuration à base de bus ISA, par exemple, le VL-Bus se retrouve sous la forme d'une extension des connecteurs ISA 16 bits existants. Connecteur d'extension du bus VLB Le bus PCI (Peripheral Component Interconnect) : il a été mis au point par Intel et quelques autres leaders de l'industrie informatique au début de l'année En réalité, le bus PCI n'est pas un véritable bus local : il occupe un niveau intermédiaire situé entre les bus locaux fondamentaux (bus processeur et bus mémoire) et le bus d'e/s standard ; le bus PCI rajoute en quelque sorte une nouvelle couche à la configuration classique du système, comme indiqué sur le schéma suivant : Schéma conceptuel du bus PCI La largeur du bus PCI est fixée à 32 bits et sa fréquence de fonctionnement à 33 MHz, même si la désignation pour un bus PCI de 64 bits et 66 MHz existe déjà (ces nouvelles spécifications seront certainement introduites par défaut lorsque se justifiera le coût des modifications du bus PCI pour augmenter sa bande passante). Par rapport au bus VESA, le bus PCI présente les caractéristique suivantes : Tout comme le VL-Bus, le bus PCI supporte le bus mastering. Par ailleurs, alors que la fréquence du VL-Bus est intimement liée à celle du processeur, celle du bus PCI en est indépendante. Page -5-

6 Lorsque le VL-Bus est actif, il supplante les autres bus locaux et force le processeur à stopper ses activités ; ce n'est pas le cas du bus PCI qui travaille en parallèle avec le bus processeur : lorsque le processeur expédie des données à destination d'un périphérique, celles-ci sont entreposées dans la mémoire tampon du contrôleur de bus PCI ; le processeur peut ensuite se consacrer à d'autres activités tandis que le contrôleur se charge d'acheminer les informations au périphérique concerné. Inversement, les périphériques peuvent continuer de faire transiter des données par le bus PCI même lorsque le processeur est actif. Une des caractéristiques majeures du bus PCI est qu'il constitue le modèle des spécifications Plug & Play (PnP) d'intel : ceci signifie que les cartes d'extension au format PCI ne présentent ni cavaliers, ni interrupteurs et qu'elles sont automatiquement configurées par voie logicielle. Depuis 1995, la plupart des systèmes PC incluent un BIOS PnP qui assure automatiquement la configuration des périphériques conformes à cette norme. Le bus PCI peut fonctionner avec une tension de 3,3V dans les ordinateurs portables (contre 5V pour le bus VESA), ce qui joue énormément en faveur de l'économie d'énergie dans ce type d'ordinateurs. Notons qu'à l'inverse de tous les formats de bus décrits jusqu'ici, le bus PCI n'est pas une interface exclusivement réservée aux PC : on le trouve également en standard dans certains modèles de Macintosh (imac, G3, G4, etc.). Les connecteurs d'extension PCI sont aisément reconnaissables à leur taille réduite et leur couleur blanche standardisée : Connecteur d'extension du bus PCI Le bus AGP (Accelerated Graphics Port) : de même que le bus ISA s'est finalement avéré inapte à gérer les flux importants de données liés à la mise en place des interfaces graphiques, le bus PCI atteint aujourd'hui ses limites depuis l'apparition d'un domaine d'applications particulièrement gourmandes en ressources système : la 3D. L'AGP a donc été mis au point et introduit par Intel à partir de 1997 dans le but de pallier aux déficiences du bus PCI en ce qui concerne la vidéo. Ceci amène la première constatation suivante : l'agp n'est pas un "bus" au sens vrai du terme, car un bus doit être à même de supporter de multiples périphériques d'e/s, ce qui n'est guère le cas de l'agp qui n'en supporte qu'un ; en réalité, il s'agit d'un "port", c'est à dire une connexion indépendante et directe entre le processeur, la mémoire vive et la carte graphique du système informatique. Schéma conceptuel du bus AGP Page -6-

7 Caractéristiques principales du bus AGP : Le concept d'agp est basé sur les spécifications PCI 64 bits : il dispose d'une largeur de 32 bits et fonctionne à la fréquence maximale de 66 MHz, ce qui lui confère une bande passante théorique double de celle du bus PCI de 264 Mo/s. Par ailleurs, l'agp dispose d'un mode "2X" qui lui permet encore de doubler cette bande passante pour atteindre 528 Mo/s (1056 Mo/s avec l'agp 4X) - Explication : à chaque cycle, le signal d'horloge de synchronisation transite de la valeur 0 (absence de signal) vers la valeur 1 (présence de signal), ce qui correspond au front montant du signal, avant de repasser de la valeur 1 à la valeur 0, ce qui correspond au front descendant du signal. Alors que le bus PCI n'est capable de véhiculer des informations que pendant la phase montante du signal de synchronisation, l'agp peut le faire sur les deux fronts. Le bus PCI partage sa bande passante de 132 Mo/s avec tous les périphériques qui lui sont rattachés, ce qui ralentit d'autant les échanges de données lorsqu'un adaptateur graphique est présent et accapare la mjorité des ressources du bus. La venue de l'agp permet d'une part au sous-système vidéo de disposer d'un circuit dédié performant, et d'autre part décharge le bus PCI des intenses trafics liés à l'affichage. L'AGP a également la capacité d'accéder directement à la mémoire centrale du système (sans intervention du processeur, il s'agit donc d'un accès DMA - Direct Memory Access) pour y entreposer un surplus de données lorsque la mémoire du circuit graphique est saturée. Mieux encore, l'agp bénéficie de la technologie DIME (Direct Memory Execution), qui permet d'effectuer les calculs de textures directement dans la mémoire centrale avant de les charger dans la mémoire vidéo de la carte. Notons toutefois que la solution DIME n'est pas plus rapide que l'exécution des opérations dans la mémoire vidéo de l'adaptateur graphique : tout d'abord car le bus spécial qui relie la mémoire vidéo au processeur graphique sur la carte est bien plus véloce que le l'agp ; ensuite car la RAM centrale de l'ordinateur est en général 4 à 6 plus lente que la mémoire vidéo, ce qui ralentit d'autant les transformations de textures qui y sont effectuées. La technologie DIME est donc surtout intéressante pour les configurations disposant d'un circuit graphique doté de peu de mémoire vidéo. L'AGP fonctionne bien entendu en bus mastering et, autre fonctionnalité intéressante, peut transmettre plusieurs requêtes à la suite par la technique de pipelining. Tandis que le protocole PCI nécessite que chaque requête soit suivie d'un accusé de réception pour pouvoir expédier la requête suivante, l'agp n'est pas obligé d'attendre une réponse du processeur pour envoyer plusieurs requêtes simultanément. Pour terminer cette liste non exhaustive des capacités de l'agp, signalons que celui-ci incorpore la technologie SBS (Side Band Signaling, ou Bande de Signalisation Latérale), qui renvoie à l'utilisation d'un ensemble de circuits dédiés s'ajoutant à l'agp : en plus des 32 bits du bus, une bande latérale supplémentaire de 8 bits permet à la carte AGP d'envoyer de nouvelles requêtes tout en recevant les données émises par la carte mère suite aux requêtes précédemment émises. Le SBS véhicule également un repère de synchronisation qui fait correspondre les modes de fonctionnement (1X, 2X, 4X, etc.) de l'agp avec ceux de la carte graphique. RECAPITULATIF Connecteur d'extension du bus AGP Page -7-

8 Emplacement des connecteurs AGP, PCI et ISA sur une carte mère Bus ISA (AT) MCA EISA VLB PCI AGP Date de mise en service Vitesse d'horloge (MHz) ,3 10 8, Largeur (bits) Bande passante (Mo/s) Systèmes représentatifs PC/AT PS/2 i386 i486 Pentium PII et + LES BUS ANNEXES Le bus PC Card (ex-pcmcia) : cette interface a été conçue en 1989 par un consortium de plus de 300 constructeurs informatiques : la Personal Computer Memory Card International Association (PCMCIA), afin de doter les ordinateurs protables des mêmes capacités d'extension que les machines de bureau. La PCMCIA a entrepris de normaliser les cartes d'extension des machines portables au format carte de crédit, avec les dimensions suivantes : 54 x 85 mm pour un connecteur à 68 broches ; trois épaisseurs standards ont également été adoptées, correspondant à autant de types de cartes : Remarque : il existe une carte de type IV d'épaisseur 15,5 mm, mais elle n'est pas reconnue par le consortium PCMCIA. Plusieurs modifications de la norme PC Card ont vu le jour entre 1990 et 1994, laquelle est restée pendant ce laps de temps une interface 16 bits relativement lente, à la bande passante limitée (2 Mo/s), incapable de supporter le bus mastering et dont les 26 lignes du bus d'adresses ne permettaient de gérer que 64 Mo de RAM au maximum ; le principal avantage du bus PC Card est avant tout la petite taille des connecteurs et des cartes d'extension ainsi que la possibilité de connexion et déconnexion à chaud des périphériques. En 1995, une nouvelle version de la norme PC Card a été introduite, sous l'appellation CardBus : il s'agit d'une interface 32 bits bien plus performante, fonctionnant à 33 MHz, supportant le bus mastering et dont la tension a été réduite à 3,3V (au lieu de 5V). Le bus USB (Universal Serial Bus) : la spécification USB a été publiée en 1996 par un Page -8-

9 consortium regroupant Compaq, Digital, IBM, Intel, Microsoft, NEC, et Northern Telecom. Le bus USB est, pour l'essentiel, une interface permettant théoriquement de connecter à l'ordinateur jusqu'à 127 périphériques en chaîne, avec un taux de transfert de 12 Mbits/s (environ 1,5 Mo/s). Au nombre des avantages de l'usb figure l'auto-identification des périphériques par le système et la possibilité de brancher et débrancher ceux-ci à chaud, sans avoir à couper l'alimentation de l'ordinateur auparavant. Le branchement en série des périphériques permet en outre d'économiser les ports de connexion, ce qui n'est pas le cas avec les interfaces séries et parallèles conventionnelles qui nécessitent que chaque périphérique soit associé avec un connecteur individualisé. Avec une bande passante de 12 Mbits/s partagée entre les périphériques connectés, seuls des composants ne nécessitant pas de hauts débits de transferts sont pour l'heure concernés par l'usb : claviers, souris, imprimantes, appareils photo numériques, manettes de jeu, etc. Une version USB 2.0 a toutefois vu le jour en 2001, qui permet de multiplier les performances de l'usb par 40, tout en assurant la compatibilité avec la norme USB 1.1 actuelle. Depuis 1996, tous les ordinateurs sont équipés en standard de ports USB et cette norme est supportée depuis la version OSR 2.1 de Windows 95. Connecteur USB mâle Le bus IEEE 1394 (Firewire) : l'interface IEEE 1394 a été mise au point par Apple en 1995 en collaboration avec l'organisme américain IEEE (Institute of Electrical & Electronics Engineers Inc.). L'autre nom sous lequel est connu ce bus - Firewire - est l'appellation commerciale déposée par Apple pour l'ieee 1394 (Sony a de son côté déposé l'appellation "i.link" pour ce même bus). L'IEEE 1394 désigne un standard de bus numérique à haut débit (jusqu'à 400 MBits/s), permettant de connecter à l'ordinateur jusqu'à 63 périphériques en chaîne. Comme l'usb auquel il ressemble beaucoup, l'ieee 1394 supporte le Plug & Play et le Hot-Plug (branchement à chaud des périphériques). Son importante bande passante destine tout particulièrement l'ieee 1394 aux périphériques qui génèrent des transferts de données importants avec l'ordinateur, notamment les composants multimédias : caméras et camescopes numériques, synthétiseurs audio, lecteurs de disques à haut débit, scanners et imprimantes d'imagerie professionnelle, etc. A terme, il est largement envisageable de remplacer l'intégralité des interfaces séries (RS-232), parallèles (Centronix) et même SCSI par un standard unifié de type IEEE Connecteurs IEEE pins* et 4-pins* * Les connecteurs 6-pins utilisent 2 paires de fils pour le transfert des données, la dernière paire de fils servant à assurer l'alimentation électrique des périphériques connectés. Les connecteurs 4-pins utilisent l'ensemble des fils pour le transfert des données, aucune ligne n'étant réservée à l'alimentation électrique des périphériques. Page -9-