Université Constantine 2 Abdelhamid Mehri Faculté des NTIC Département MI Electroniques des composants et systèmes Enseigné par : Mme. Iness NEDJI MILAT Cours de L1 - TRONC COMMUN DOMAINE MATHEMATIQUES INFORMATIQUE 2016-2017 1
Chapitre 03 : Architecture de base et carte mère 2
Qu est ce qu une architecture? L'architecture d'un système à microprocesseur représente l organisation de ses différentes unités et de leurs interconnexions. Le choix d'une architecture est toujours le résultat d'un compromis : entre performances et coûts, entre efficacité et facilité de construction, entre performances d'ensemble et facilité de programmation etc 3
Architecture de base des ordinateurs (Modèle de von Neumann) Pour traiter une information, un microprocesseur seul ne suffit pas, il faut l insérer au sein d un système minimum de traitement automatique de l information. John Von Neumann est à l'origine d'un modèle de machine universelle de traitement automatique de l information (1946) appelé le modèle de von Neumann Cette architecture sert de base à la plupart des systèmes à microprocesseur actuel (ordinateurs). 4
Modèle de von Neumann Ce modèle est composé des éléments suivants : 1. une unité centrale de traitement (CPU) qui traite les informations, 2. une mémoire centrale (MC) qui stocke temporairement ces informations à traitées 3. des interfaces d entrées/sorties qui permettent d assurer la communication entre le microprocesseur et les périphériques d E\S. Les différents organes du système sont reliés par des voies de communication appelées bus 5
Modèle de von Neumann de traitement 6
Carte mère La carte mère est l'un des éléments essentiels d'un ordinateur. Elle assure la connexion physique des différents composants (CPU, mémoire, carte d'entrées/sorties,...) par l intermédiaire de différents bus (adresses, données et commande). La qualité de la carte mère est vitale puisque la performance de l ordinateur dépend énormément d elle. 7
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Vue d ensemble de la carte mère 9
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Les standards des cartes mères Afin de fournir des cartes mères pouvant s'adapter dans différents boîtiers de marques différentes, des standards ont été mis au point. ATX (Advanced Technology Extended) est un format de carte mère créé en 1995 par Intel, conçu afin d optimiser les branchements des périphériques (les connecteurs IDE sont par exemple situés du côté des disques) d une part et d autre part pour favoriser la dissipation de la chaleur ( les composants sont orientés parallèlement). Plusieurs modèles: ATX standard, Micro ATX, Flex ATX, mini ATX) BTX, optimisation de l'acoustique et amélioration de la dissipation de la chaleur (le processeur est situé à proximité des aérations du boîtier): BTX standard, micro BTX, Pico BTX ITX, format extrêmement compact mini-itx (17cm*17cm) et nano-itx (12*12cm) 13
Les standards des cartes mères 14
Le facteur d encombrement La carte mère est caractérisée par un facteur d'encombrement (ou facteur de forme, en anglais form factor) qui définit : la géométrie, les dimensions, l'agencement, et les caractéristiques électriques de la carte mère. 15
Composition de la carte mère La carte mère se compose des éléments suivants : Le chipset, Les ports de connexion (connecteurs) L horloge temps réel (RTC), Le CMOS, Le BIOS, Les cartes intégrées, Les bus 16
Le chipset le chipset est un circuit électronique chargé de coordonner les échanges de données entre les divers composants de l'ordinateur (CPU, MC, DD, carte graphique...). Il représente une interface d entrée/sortie. Elle est constituée par un jeu de plusieurs composants chargé de gérer la communication entre le microprocesseur et les périphériques (autres composants). C est le lien entre les différents bus de la carte mère. 17
Le chipset Le chipset est composé par deux composants : Le pont Nord (North bridge) qui s occupe d interfacer (connecter) le microprocesseur avec les périphériques rapides (mémoire et carte graphique) nécessitant une bande passante élevée, Le pont Sud (South bridge) qui s occupe d interfacer le microprocesseur avec les périphériques plus lents (disque dur, CDROM, lecteur de disquette, réseau, etc ). 18
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Le chipset 20
Les ports de connexion les ports de connexion (connecteurs) permettent de connecter des composants sur les différents bus de la carte mère. Il existe trois types de ports de connexion : des ports internes : pour connecter des cartes d extension (PCI, ISA, AGP) ou des périphériques de stockage (SCSI, IDE, Serial ATA), des ports externes : pour connecter des périphériques d E\S (série, parallèle, USB, firewire, etc ) Le connecteur destiné au microprocesseur (support du processeur). 21
Connecteur du CPU Le connecteur (support), destiné à connecter le microprocesseur (CPU) à la carte mère, détermine le type de microprocesseur que l on peut connecter. Il existe deux types de connecteur CPU : Slot (en français fente) : il s'agit d'un connecteur rectangulaire dans lequel on insère le processeur verticalement. Socket (en français embase) : il s'agit d'un connecteur carré avec un nombre de petits connecteurs sur lequel le processeur vient directement s'enficher. Le support du processeur permet également de connecter le dissipateur thermique (ventirad: ventilateur + radiateur) 22
Slot pour un processeur Athlon 23
Socket pour un processeur AMD Athlon 24
Socket pour un processeur Intel (Pentium 4, core 2 duo, core 2 quad, core 2 extreme, i3, ) Core : micro architecture, Core2, i7,i5,i3 : marque dual, quad ou multi core : nombre de Unité centrale de traitement sur une meme puce 25
L'horloge temps réel L'horloge temps réel (notée RTC, pour Real Time Clock) est un circuit chargé de la synchronisation des signaux du système. Elle permet de cadencer le traitement des instructions par le microprocesseur ou la transmission des informations sur les différents bus. Elle est constituée d'un cristal qui, en vibrant, donne des impulsions (appelés tops d'horloge). On appelle fréquence de l'horloge (exprimée en MHz) le nombre de vibrations du cristal par seconde, c'est-à-dire le nombre de tops d'horloge émis par seconde. Plus la fréquence est élevée, plus le système peut traiter d'informations 26
Le CMOS Le CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) est un circuit spécialisé qui contient une petite mémoire ainsi qu'une horloge maintenues en fonctionnement permanent grâce à une pile (au format pile bouton) ou une batterie située sur la carte mère (rechargé automatiquement lorsque l'alimentation est en service). La technologie CMOS est ici privilégiée car, grâce à sa consommation extrêmement réduite (de l'ordre de 10 µa), elle permet de longues durées d'interruption de l'alimentation principale. 18/11/2016 27
Le CMOS La mémoire contient quelques dizaines d'octets, utilisés pour stocker : Des informations décrivant la configuration de l'ordinateur (détail des disques durs ), Des données nécessaires au fonctionnement de son BIOS, Des données nécessaires au système d'exploitation, L'heure et la date. 28
Le BIOS le BIOS (Basic Input Output Service) est un programme responsable de la gestion du matériel : clavier, écran, disques durs, liaisons séries et parallèles, etc... Il est sauvegardé dans une mémoire morte (EEPROM). Il utilise les données contenues dans le CMOS pour connaître la configuration matérielle de la machine. Le BIOS est le programme basique servant d'interface entre le système d'exploitation et la carte mère (matériel). 29
Le BIOS Les principales fonctionnalités du BIOS : Initialiser tous les composants de la carte mère, du chipset et de certains périphériques; Identifier tous les périphériques internes et externes qui lui sont connectés ; Initialiser l'ordre de priorité des périphériques d'entrée ; Démarrer le système d'exploitation présent sur le premier périphérique disponible (généralement: le disque dur). 30
Les cartes intégrées Les cartes mères récentes embarquent généralement un certain nombre de périphériques multimédia et réseau pouvant être désactivés : carte réseau intégrée ; carte graphique intégrée ; carte son intégrée ; contrôleurs de disques durs évolués. le simple fait de mettre en place une carte d'extension suffit pour désactiver la carte intégrée. 31
Les bus Un bus est une voie de communication, formée d'un ou plusieurs conducteurs (fils) qui assure la transmission du même type d information. Les données circulent sur le bus d'une connexion à l'autre. (tout comme les passagers des transports en commun qui vont d'un arrêt à l'autre). 32
Les bus sur la carte mère 33
Composition des bus Un bus est constitué de 3 sous bus : Un bus de données : bidirectionnel qui assure le transfert des informations entre le microprocesseur et son environnement, et inversement. Un bus d'adresses : unidirectionnel qui permet la sélection des informations à traiter dans un espace mémoire (ou espace adressable); Un bus de commande : (requête) il transporte les ordres et les signaux de synchronisation et de réponse entre le CPU et l ensemble des composants matériels 34
Composition des bus 35
Composition des bus 36
Caractéristiques des bus Les bus sont très différents les uns des autres, et ont des caractéristiques très différentes. La largeur : C'est le nombre de bits qui peuvent être transmis simultanément sur le bus. Le débit binaire : C'est le nombre de bits que le bus peut transmettre par seconde. Plus celui-ci est élevé, plus le bus est rapide. Le mode synchrone ou asynchrone : Certains bus possèdent un fil sur lequel circule un signal d'horloge permettant de synchroniser les différents composants (synchrones). D'autres se passent de signal d'horloge (asynchrone), 37
Caractéristiques des bus Types de liaisons (mode de communication) : Liaison parallèle: tous les bits d un mot sont transmis simultanément sur plusieurs fils. permet des transferts rapides mais reste limitée (faibles distances de transmission, coût et encombrement et des problèmes d interférence électromagnétique) Liaison série: les bits constitutifs d un mot sont transmis les uns après les autres sur un seul fil. Les distances sont beaucoup plus importantes mais, la vitesse de transmission intéressante. 38
Les types de bus 39
Les types de bus Bus processeur : on l appelle aussi bus système ou FSB (Front Side Bus). Il relie le microprocesseur au pont nord puis à la mémoire. C est un bus 64 bits. Bus AGP (Accelered Graphic Port) : Il a été créé en 1997 lors de l explosion de l utilisation des cartes 3D qui nécessitent toujours plus de bandes passantes pour obtenir des rendus très réalistes. C est une amélioration du bus PCI. C est un bus 32 bits et son débit maximum est de 2 Go/s (en x8). Liaison pont nord/pont sud : elle connecte les deux ponts du chipset 40
Les types de bus Bus PCI (Peripheral Component Interconnect) : Il a été créé en 1991 par Intel. Il permet de connecter des cartes d extension. C est un bus de 32 bits ou de 64 bits et a une fréquence de 133 MHz. Le bus PCI Express : noté PCI-E est un bus d'interconnexion permettant l'ajout de cartes d'extension dans l'ordinateur. Il a été mis au point en juillet 2002. Contrairement au bus PCI, qui fonctionne en mode parallèle, le bus PCI Express fonctionne en mode série, ce qui lui permet d'obtenir une bande passante beaucoup plus élevée que ce dernier. En effet, le mode parallèle n'est pas prévu pour supporter des fréquences élevées en raison des problèmes liés aux interférences électromagnétiques entre les différents fils 41
PCI-E (x4, x16, x1 et x16) PCI 32 42
Les types de bus Bus ISA (Industry Standard Architecture) : C est l ancêtre du bus PCI. On ne le retrouve plus sur les nouvelles générations de cartes mères. Bus IDE (ATA ou PATA) : il permet de relier au maximum 2 périphériques de stockage interne par canal (disque dur ou lecteur DVDROM/CDROM). Son débit est de 133 Mo/s. 43
Les types de bus Bus SCSI (Small Computer System Interface) : c est un bus d E/S parallèle permettant de relier un maximum de 7 ou 15 périphériques. C est une interface concurrente à l IDE qui présente l avantage de pouvoir connecter plus de périphériques pour des débits supérieurs. Mais son coût reste très élevé il est utilisé pour les serveurs. 44
Les types de bus Le bus Serial ATA (S-ATA ou SATA): est un bus standard permettant la connexion de périphériques de stockage haut débit sur les ordinateurs de type PC. apparu en février 2003 afin de pallier les limitations de la norme "IDE", qui utilise un mode de transmission en parallèle. Bus USB (Universal Serial Bus ) : c est un bus d E/S plug-and-play série. Dans sa deuxième révision (USB 2.0), il atteint un débit de 60 Mo/s. Il peut théoriquement 127 périphériques. 45
Remarque Tous les bus «internes» (PCI, IDE, AGP) vont être amenés à disparaître très rapidement et seront remplacés par des bus série : Le Serial ATA (SATA), remplaçant du bus IDE, présente des débits de 300 Mo/s. Il permet de connecter des disques durs ou des lecteurs optiques. Le PCI Express, remplaçant des bus PCI et AGP, permet d atteindre des débits de 250 Mo/s dans sa version de base qui peuvent monter jusqu à 8Go/s dans sa version x16 destinée à des périphériques nécessitant des bandes passantes très élevées (application graphique). 46