Introduction à l architecture des ordinateurs. Plan - partie 2. Périphérique Communication avec la carte mère. Adrien Lebre Décembre 2007

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1 Introduction à l architecture des ordinateurs Adrien Lebre Décembre 2007 Plan - partie 2 Communication avec les périphériques Stockage Interface IDE, SATA, SCSI Lecteur optique Gestion de l affichage Carte graphique Ecran Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Périphérique Communication avec la carte mère Les périphériques sont raccordés à la carte mère via des bus ou des interfaces d Entrées/Sorties : Périphériques de stockage (disque dur, lecteur/graveur optique) Périphériques d acquisition (scanner, acquisition vidéo) Périphériques d entrée (clavier, souris) Périphériques d affichage (écran, vidéo projecteur) Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 1

2 Type de liaison Série vs Parallèle (1/2) 2 types : liaison parallèle ou liaison série. Caractérisée par sa vitesse de transmission et son débit (bit/sec) Liaison parallèle : L ensemble des bits d un «mot informatique» est transmis simultanément Transfert rapide mais complexité de mise en œuvre Nombre de fils par rapport à la distance, Interférence électromagnétique, Synchronisation de la transmission et de la réception (horloge) Exemple: Bus PCI, AGP, IDE Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Type de liaison Série vs Parallèle (2/2) Liaison série : Les bits d un «mot» sont transmis les uns après les autres Deux modes : Synchrone : l émetteur et le récepteur possèdent une horloge synchronisé qui cadence la transmission Asynchrone : les caractères envoyés sont encadrés par un signal start et stop (notion de protocole, bit de parité etc.) Précédemment délaissé, la transmission série asynchrone remplace petit à petit l ensemble des interfaces parallèles (SATA, S-SCSI, PCI express,.) Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Périphérique Notion de scrutation Scrutation (polling) : Le processeur interroge de manière périodique les périphériques afin de savoir si elles souhaitent accéder à des ressources ou si d éventuels transferts sont prêts. Inconvénient : lent et coûteux en termes de cycles processeur Le processeur est souvent en attente (il est «bloqué» sur l interface d E/S). L initiative de l échange de données est dépendante du programme exécuté par le processeur. De ce fait, certaines requêtes ne peuvent être traitées immédiatement et doivent attendre que le processeur soit dans la boucle de scrutation. Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 2

3 Périphérique Notion d interruption (1/3) Interruption : arrêt temporaire de l exécution d un programme par le processeur afin d en traiter un autre (routine d interruption) Les interruptions peuvent être générées : Par des événements extérieurs (avancement d une horloge, signalisation de la complétion d un transfert de données, ) Par des exceptions notifiant d un éventuel problème (division par zéro, instruction erronée, accès à une zone non existante ou protégée, ) Fonctionnement: Lorsqu un périphérique souhaite accéder à une ressource, il transmet une demande d interruption au processeur (IRQ) Sauvegarde de l état actuel du processeur dans une zone spécifique (la pile) Traitement de l interruption Restauration de l état antérieur Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Périphérique Notion d interruption (2/3) Masque d interruption : Dans certains cas, il est important d'empêcher certaines interruptions afin de protéger un traitement particulier. Les interruptions accumulées sont traitées lorsque le masque est retiré. Hiérarchisation des IRQs : Traiter selon le niveau de priorité Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Périphérique Notion d interruption (3/3) Conflit matériels : IRQ Périphérique 0 Horloge interne 1 Clavier 2 Renvoi vers 8 à 15 Chaque périphérique est associé à un identifiant d IRQ déterminé et généralement unique Lors d ajout de nouveau périphérique, il faut vérifier que deux périphériques différents n exploitent pas la même IRQ auquel cas un conflit matériel apparaît Sur les systèmes d exploitations récents, la gestion des IRQs est fait la plupart du temps de manière transparente (reconfiguration du CMOS des composants, attribution d une nouvelle IRQ par l OS, ) COM2/COM4 COM1/COM3 Libre Lecteur disquette LPT1 Horloge temps réel Libre Libre Libre Port Souris Coprocesseur (FPU) primaire secondaire Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 3

4 Périphérique Notion de DMA Les interruptions permettent des communications non bloquantes avec les périphériques. Toutefois, l intervention du processeur est encore requise pour faire la recopie depuis/vers la mémoire vive. DMA, Direct Memory Access : Transfert de blocs de données entre la mémoire et les périphériques sans passer par le processeur (utilisation d un contrôleur de DMA) Le contrôleur de DMA Effectue la totalité du transfert Génère une IRQ pour avertir de la fin de l échange Le processeur : Initialise l échange en donnant au «DMA» l identification du périphérique Indique le sens du transfert Fournit l adresse de départ et de fin de la zone à transférer Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Unité centrale et stockage Vue d ensemble Alimentation Carte mère Combo CD/DVD Bus IDE Processeur BUS SATA «bus informatique», connectique reliant les périphériques à la carte mère Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Périphériques de stockage Interface IDE (1/2) Interface de communication la plus répandue pour les périphériques de stockage (disque dur, lecteur optique) S'appuie sur les standards ATA (disques durs) et ATAPI (lecteur optique) Connectique de 40 ou 80 points avec une longueur standard de 46 cm 2 ports IDE généralement sur une carte mère (primaire / secondaire) Notion de maître / esclave (2 périphériques par port) Nappe IDE Connecteur IDE (primaire et secondaire) Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 4

5 Périphériques de stockage Interface IDE (2/2) Principales commandes : Recalibrer (initialise le lecteur et positionne la tête de lecture sur le cylindre 0) Lire plusieurs secteurs Ecrire plusieurs secteurs Recherche (positionne la tête de lecture / écriture à un endroit précis) Diagnostic (effectue un diagnostique des lecteurs) Obtenir des informations (modèle, série, nombre de cylindres, nombre total de secteurs.) Pour chacune des opérations, il est nécessaire d aller renseigner les différentes opérandes nécessaires à l opération. Pour cela, on utilise des registres spécifiques au contrôleur IDE Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Périphériques de stockage Interface serial ATA Apparue en février 2003, il remplace peu à peu l IDE Transmission série : Une voie pour les données et le contrôle Une voie pour les accusés de réception Débit jusqu à 1,5Gb/s (187.5Mo/sec), en supprimant les «bits de contrôles» propre à une liaison série on atteint un débit théorique de 150Mo/sec (contre133mo/sec en ATA) Le SATA II devrait permettre d atteindre des débits de l ordre de 600Mo/s Nouvelle fonctionnalité : raccordement «à chaud» possible Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Périphériques de stockage Interface SCSI Proposée au début des années 80, l idée principal consiste à déporter l intelligence vers les périphériques. Les commandes transmises par l OS peuvent être plus complexes (elles pourront le cas échéant être décomposées par le périphérique en sous tâches plus simples) Gestion optimisée des files d attentes (permettant un réordonnancement) A partir du SCSI-2 possibilité de transmettre jusqu à 256 requêtes Débit : SCSI-1 5Mo/sec, SCSI-2 jusqu à 80Mo/sec, SCSI-3 jusqu à 640 Mo/sec Inconvénient : l interface étant plus complexe, le coût est plus élevé. Adoptée par plusieurs périphériques (scanner, imprimante,.) SAS, Serial SCSI : SCSI en série Interconnexion d un plus grand nombre de périphériques par contrôleur Débit exclusif de 3Gb/s pour chacun des périphériques (partagé dans SCSI-3) Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 5

6 Stockage informatique Généralités (1/2) Méthode d'organisation des données persistantes sur un médium durable (disque dur, CD-ROM, clé USB, ). L unité est le fichier lui même organisé en une séquence d octets ( les données). Structure hiérarchique de répertoires : un répertoire peut contenir un ou plusieurs fichier(s). Chaque objet (répertoire, fichier) est identifié par un nom et possède des propriétés dépendantes du système de fichiers (date création/modification, droits d accès, les métadonnées ). Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Stockage informatique Généralités (2/2) Abstraction : le système de fichiers (vue logique, tableau) inode Nom : Cours_archi.pdf Taille : 60Ko Date modification : 28 Nov 2007 blocs de données vs le disque (vue physique) méta-données Un fichier : /home/alebre/cours_archi.pdf Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Bras de lecture/écriture Généralités et fonctionnement (1/5) Support magnétique permettant le stockage des données Relié à la carte mère par l intermédiaire d un contrôleur (IDE, SATA, SCSI) Composé de : Plusieurs plateaux en rotation (de 3600 à tours/min) Des têtes d écritures/lectures (permettant l accès aux données) Notion de Cylindre Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 6

7 Généralités et fonctionnement (2/5) Têtes de lecture/écriture inductives : Ecriture : la tête génère un champ magnétique polarisant la surface du disque dans une zone (secteur) Lecture : la tête subit un changement de polarité induisant un courant Un CAN permet de convertir les courants en 0 et 1 (et vice versa) Les données sont organisées en cercles concentriques appelés pistes Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Généralités et fonctionnement (3/5) Stockage horizontal De moins en moins utilisé, ce type de stockage repose sur une polarisation horizontale des particules magnétiques La réduction de la taille des particules afin d augmenter la densité peut engendrer une instabilité dans la polarisation (superparamagnétisme) Stockage perpendiculaire (PMR) Proposé en 2006, il s agit de modifier les têtes de lectures/écritures afin de pouvoir stocker les particules selon une polarisation verticale Cette technique nécessite moins de place pour stocker la même quantité de données (la densité est ainsi augmentée) Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Généralités et fonctionnement (4/5) L ensemble des données situées sur une même piste sur des plateaux différents (à la verticale des unes des autres) forme un cylindre La zone minimale pour un fichier sur un disque est appelée un cluster Modes d accès : CHS (Cylinder/Head/Sector, abandonné) LBA (Logical Block Address) Le tuple CHS était limité à (1023,255, 63) Soit un nombre de secteur d un peu plus de 16 millions pour un espace total de 8,4Go (1023*255*63 * 512 octets) Le tuple nécessitait 3 octets Le mode LBA consiste à exploiter 28 bits afin d adresser directement un secteur et de laisser à l unité de stockage la translation selon le nombre de cylindres, de têtes et de secteurs qui la composent. Le mode LBA permet ainsi d adresser des unités jusqu à 128Go. En 2004, apparition de LBA 48bits permettant d adresser 256 Po Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 7

8 Généralités et fonctionnement (5/5) Caractérisé par : Sa capacité (volume de données exprimé en octets) Son taux de transfert (débit en octets/sec) Sa vitesse de rotation (en tours/min, rpm) Le temps de latence (temps entre lequel le disque trouve la piste et qu il accède à la donnée) Le temps d accès moyen, temps moyen pour positionner la tête et récupérer la portion de donnée Sa densité radiale et linéaire : nombre de pistes par pouces et nombre de bits par pouce sur une piste donnée Sa taille de cache : quantité de mémoire volatile embarquée sur l unité de stockage Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Un peu d histoire Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Performance et temps d accès (1/10) Ecart considérable entre les performances des CPUs, des BUS et des unités de stockages Débits internes des unités soumis à : Des contraintes physiques telles que la vitesse de rotation, la densité de stockage et la taille des plateaux (diamètre) Le positionnement des données (fragmentation des données) Les modes d accès (séquentiel vs aléatoire) Pour lire le secteur en vert : Déplacer la tête de lecture (Tseek) Attendre que le bloc arrive sous la tête (TLatence) Attendre la fin du transfert du bloc (TTransmission) En moyenne, 8 ms (un facteur 1000 par rapport à un accès en mémoire) Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 8

9 Performance et temps d accès (2/10) Réduire les temps d accès : Utilisation de cache interne et exploitation de mécanismes de type «préchargement» et «écriture retardée» Réordonnancement des requêtes (apport du SCSI 2 permettant de transmettre plusieurs requêtes à la fois, queuing ) Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Performance et temps d accès (3/10) Apport du matériel : Redundant Arrays of Inexpensive Disks (1988) Exploitation de plusieurs unités de stockages pour améliorer : Les performances (répartition/fragmentation des informations) agrégation des débits, recouvrement des temps d accès Et/ou la tolérance au pannes (redondance des informations) Code d erreur, bloc de parité L utilisateur de la machine ne voit qu un seul grand disque logique auquel il accédera de façon tout à fait habituelle. La transparence d accès est apportée soit par une structure : Matérielle, l ensemble des disques est connecté à un contrôleur (RAID matériel) efficacité, onéreuse, figée, Logicielle, service interne à l OS (RAID logiciel) malléable, prix Surcoût CPU Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Performance et temps d accès (4/10) RAID : Plusieurs combinaisons ont été proposées selon les objectifs attendus : performance, fiabilité et coût associé. 8 assemblages principaux numérotées de 0 à 7 ont été définis (1994) RAID 0 : répartition des données de manière à paralléliser les accès. Critère recherché : performance Les fichiers sont découpés en blocs de taille fixe répartis sur les différentes unités («striping») permettant de traiter les accès en parallèle. Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 9

10 Performance et temps d accès (5/10) RAID 1 : duplication des données sur les différentes unités Critère recherché : fiabilité / disponibilité Les fichiers sont copiés («mirroring» ) sur les différentes unités. Lors d un défaillance de l un des disques, le contrôleur désactive instantanément le disque incriminé. Selon le nombre de réplicats restant la solution RAID bascule dans un mode dégradé où la tolérance aux pannes n est potentiellement plus assurée. L opération de maintenance consiste à changer l unité endommagée et de synchroniser la nouvelle unité avec les autres disques. mécanismes de reprise simple et «rapide» Espace de stockage (*2) RAID 2 : RAID 0 + codes ECC («Error Checking and Correcting»). Technique relativement peu utilisée. Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Performance et temps d accès (6/10) RAID 3 et 4 : Raid 0 avec bloc de parité (XOR, 3 disques au minimum) Critère recherché : fiabilité et performance (sécurité!) Les fichiers sont répartis sur les différentes unités, une unité est exploitée pour stocker la parité (unité de découpage : RAID 3, le bit / RAID 4, le bloc) Lors d une défaillance d un disque, il est possible de reconstruire les fichiers Espace de stockage par rapport au RAID 1, «Parallélisation» des accès en lecture Ecritures parallèles coûteuses (goulet d étranglement sur le disque de parité) «Single point of failure», si le disque de parité subit une défaillance, l intégrité des données ne peut plus être vérifiée. Après avoir changé l unité, il est nécessaire de recalculer l ensemble des parités. Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Performance et temps d accès (7/10) RAID 5 : RAID 4 mais la parité est répartie Chacun des disques stocke soit des données soit des bits de contrôle (corrigeant ainsi le principal défaut des RAID 3 et 4). Les écritures restent toujours onéreuses RAID 6 : RAID 5 mais avec 2 parités (encore peu utilisé) Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 10

11 Performance et temps d accès (8/10) RAID 0+1 : Les disques sont répartis en deux ensembles. Les données sont réparties sur le premier ensemble et le second ensemble est une copie du premier. Ensemble A Ensemble B (miroir) RAID 1+0 : Les disques sont regroupés deux à deux afin d effectuer du RAID 1. Les données sont alors réparties sur les disques virtuels. Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Performance et temps d accès (9/10) Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Performance et temps d accès (10/10) RAID 5+0 : Repose sur la même idée, les unités sont groupées par trois en RAID 5 et les groupes sont montés entre eux en RAID 0. D un point de vue général, Les solutions basées sur du RAID 1+0 et RAID 5+0 sont celles qui sont le plus souvent mises en œuvre. L évolution des prix des disques durs et de leur taille laissent à penser que les solutions à base de RAID 1, plus facile à mettre en oeuvre, vont de plus en plus être utilisées. Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 11

12 et en images? Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Lecteur optique CD - Généralités (1/2) Lecture et écriture des données via une diode laser Rotation 1x :de 200 tour/min (à 500 tour/min pour les secteurs externes) pistes gravées en spirale (1 seule piste concentrique) Le passage d un creux (pit) à un plat (land) correspond à un 1 1x 4x 8x 16x 32x 50x Débit 150 ko/s 600 ko/s 1200 ko/s 2400 ko/s 4500 ko/s 7800 ko/s Tps réponse 400 à 600 ms 150 à 220 ms 120 à 180 ms 80 à 120 ms 70 à 90 ms 60 à 80 ms Codage EFM Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Lecteur optique CD - Généralités (2/2) CD inscriptible : Une couche organique supplémentaire La diode en augmentant son intensité vient «brûler» la couche afin de recréer les alvéoles. Structure logique d un CD : Lead-in-Area, équivalent à un sommaire (informations sur le contenu du CD) Program Area, contenant les données Lead-Out, marquant la fin du CD (contenant des données nulles) Pour les CD-R, il y a un zone supplémentaire permettant au lecteur d adapter sa puissance par rapport au support («calibrage») Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 12

13 Lecteur optique DVD - Généralités Dans l idée très proche du CD Capacité 6 fois plus importante que le CD Meilleure précision de la diode laser Structure physique : 2 types, simple ou double couche, modification de l intensité de la diode afin d'accéder à une ou l autre couche Notion de double et simple face Type CD DVD-5 DVD-9 DVD-10 DVD-17 Caractéristiques Simple face, simple couche Simple face, double couche Double face, simple couche Double face, double couche Capacité 650/700 Mo 4,7 Go 8,5 Go 9,4 Go 18 Go Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Tps équivalent ~1h30 9h30 17h30 19h 35h Carte graphique (Graphic adapter) Généralités Chargé de convertir les données numériques en données graphiques exploitable par un périphérique d affichage Appelé aussi accélérateur graphique : Au départ, manipulation graphique simple Déplacement de blocs (curseur souris) Tracé de lignes, de polygones Composé: Processeur spécialisé 3D (GPU) Mémoire vidéo (frame buffer) RAMDAC (convertisseur analog/num) BIOS vidéo Interface (AGP, PCI Express) Connectique: VGA : transmet 3 signaux analogiques R/V/B de l image DVI : permet la transmission numérique directement au périphérique d affichage S-Video : permet de transmettre les informations vers une télévision Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Carte graphique Accélération graphique Calcul d une scène 3D se décompose en 4 étapes : 1./ script : mise en place des éléments 3./ setup : découpage en triangles 2D 2./ geometry : création d objets simples 4./ rendering : plaquage des textures La GPU permet de décharger le processeur : Au départ, uniquement le rendering Aujourd hui, également le setup (setup engine) Des langages de programmation spécifiques : Direct3D (architecture Windows) OpenGL (architecture OpenSource) Quelques fonctionnalités («mathématiques de l image») : Affichage d objets en 2D et 3D Anti-Aliasing, réduit les effets d escalier (sur les diagonales) Shader, lens flare, gestion des ombres et de la lumière sur les objets Motion blur, gestion du flou au sein des images Depth, gestion de la profondeur, Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 13

14 Port DVI Carte graphique et en images? carte graphique nvidia NV43 AGP Port VGA Et son processeur graphique nvidia GEFORCE 6600GT bus AGP Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Gestion de l affichage Introduction aux écrans Périphériques habituels pour l affichage (périphériques de sortie) 2 types : Tube cathodique (CRT) Ecran plat (LCD ou Plasma) Caractérisé par : La définition : nombre de points (pixel) pouvant être affichés La taille : diagonale de l écran (en pouces) Le pas de masque (pitch) : l écart entre deux luminophores La résolution (DPI): nombre de pixel par pouce Plus particulièrement pour les écrans plats : Le temps de réponse : durée nécessaire pour faire passer un pixel du blanc ou noir puis du noir au blanc La luminance : c est la luminosité de l écran L angle de vision vertical et horizontal Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Gestion de l affichage Mode graphique (1/2) Mode graphique: mode d affichage à l écran MDA : monochrome, 80 colonnes*25 lignes (1981, 2 ko) CGA : affichage mode texte (4 couleurs) et graphique (320*200 pixels) EGA : 16 couleurs sur 640*350 pixels (1985) VGA : 16 couleurs sur 640*480 ou 256 couleurs sur 320*200 (1987) SVGA : 256 couleurs sur 640*200 ou 16 couleurs sur 1024*768 SXGA : 1280*1024 avec 16 millions de couleurs UXGA : 1600*1200 avec 16 millions de couleurs QUXGA : 3200*2400 avec 16 millions de couleurs HUXGA : 7680*4800 avec 16 millions de couleurs soit pixels 110 Mo par image (3 octets par pixel) Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 14

15 Gestion de l affichage Mode graphique (2/2) Chaque couleur représente un ratio particulier : rouge : 4/3 bleu : 5/4 jaune : 3/2 violet : 16/9 vert : 16/10 Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Gestion de l affichage Ecran plat LCD (1/2) Composé de deux plaques rainurées renfermant un liquide contenant des cristaux Chacun des cristaux peut être orienté via un courant électrique (grille d alignement) Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Gestion de l affichage Ecran plat LCD (2/2) Ecran à matrice passive (TN / DSTN): Fonctionnement : Une grille d'électrode (ligne * colonne) avec à chaque intersection un pixel. Un transistor pour chaque rangée et un transistor pour chaque colonne Un pixel est allumé si toute la colonne et toute la ligne ou il se situe est alimenté (sinon il est éteint) Bon marché mais qualité et contraste faible Ecran à matrice active (TFT) : Chaque pixel est associé à trois transistors (un par couleur) Meilleur en qualité, temps de réponse, stabilité Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 15

16 Périphérique d entrée Clavier Fonctionnement : A chaque pression d une touche, le clavier transmet un signal particulier Utilisation d un réseau matriciel permettant d identifier chaque touche. Lors de la pression d une touche un contact électrique s'établit entre la ligne et la colonne, le signal électrique est transmis à un contrôleur qui le converti en un caractère ASCII Plusieurs types (selon la disposition et le nombre de touches) : PC/XT 83 touches (unidirectionnel) PC/AT 84 touches (bidirectionnel) Clavier étendu 102 touches Clavier étendu 105 touches (Microsoft) Clavier USB, Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Architecture des ordinateurs Bilan Un domaine vaste : un simple aperçu, cours habituellement de 36 heures Logique combinatoire, La construction des bus : données, adressage, contrôle, Mise en place du micro code dans le processeur Séquenceur Des aspects non abordés : Bus et support USB, firewire, etc. Notions sur les reseaux (topologie, modèle OSI de l ISO) L implication de plus en plus importante des réseaux ont un impact sur les nouvelles architectures! Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 Bibliographie Protocole ATA et ATAPI: Codage et compression des données (Renaud Dumont) : Traitement de l image : Mode d affichage : Site internet: comment ça marche? Introduction à l architecture des ordinateurs - Décembre /48 16