Electronique des Composants & Systèmes

Architecture de base / Carte mère

Dr. Kitouni I.

Université Constantine 2 – Abdelhamid Mehri Faculté des NTIC Département MI

Cours de L1 - TRONC COMMUN DOMAINE MATHEMATIQUES – INFORMATIQUE

2015-2016

1. Architecture de base

2. La carte mère

3. Composition d’une carte mère

4. Les bus

5. les connecteurs d’entrée sortie

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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 programmé de l’information.

John Von Neumann est à l'origine d'un modèle de machine universelle de traitement programmé de l’information (1946).

Cette architecture sert de base à la plupart des systèmes à microprocesseur actuel.

Elle est composé des éléments suivants :

1. une unité centrale

2. une mémoire principale

3. des interfaces d’entrées/sorties

Les différents organes du système sont reliés par des voies de communication appelées bus

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Elle est composé des éléments suivants : 1. une unité centrale 2. une mémoire principale 3. des interfaces d’entrées/sorties

Les différents organes du système sont reliés par des voies de communication appelées bus

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L’architecture de type Harvard est une conception de microprocesseurs qui sépare physiquement la mémoire de données et la mémoire programme.

L’accès à chacune des deux mémoires s’effectue via deux bus distincts.

Avec deux bus distincts, cette architecture permet de transférer simultanément les données et les instructions à exécuter.

Ainsi, l’unité de traitement aura un accès simultané à l’instruction et aux données associées.

à technologie identique, ce modèle peut se montrer plus rapide que celui de Von Neumann.

le gain en performance s'obtient au prix d'une complexité plus grande de la structure.

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Unité de traitement (UT)

Programme & données

Architecture Von Neumann

Architecture Harvard

Unité de traitement (UT)

Programmes

Données

Bus de donnée Bus d’adresse

Les informations traitées par un microprocesseur sont de différents types (nombres, instructions, images, vidéo, etc…) mais elles sont toujours représentées sous un format binaire.

Seul le codage changera suivant les différents types de données à traiter.

Elles sont représentées physiquement par 2 niveaux de tensions différents.

En binaire, une information élémentaire est appelé bit et ne peut prendre que deux valeurs différentes : 0 ou 1.

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Représentation d’un nombre entier en binaire : Les nombres sont exprimés par des chiffres pouvant prendre deux

valeurs 0 ou 1. A chaque chiffre est affecté un poids exprimé en puissance de 2.

Ex : ( 101 )2 <> 1x 2² + 0x21 + 1x20 = ( 5 )10

Représentation d’un nombre entier en hexadécimal : Lorsqu’une donnée est représentée sur plus de 4 bits, on préfère souvent

l’exprimer en hexadécimal. Les nombres sont exprimés par des chiffres et des lettres pouvant prendre

16 valeurs : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F A chaque chiffre est affecté un poids exprimé en puissance de 16.

Ex : ( 9A )16 <> 9x161 + Ax160 = 9x161 + 10x160 = ( 154 )10

Attention !! :

1 Kilobit = 210 bit = 1024 bit 1 Mégabit = 210 kbit = 1024 kbit 1 Gigabit = 210 Mbit = 1024 Mbit

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La taille

1 nanomètre = 1×10−9 m = 1×10−3 μm

1 micromètre = 1×10−6 m

La fréquence

Un hertz est équivalent à un événement par seconde (s-1 ou 1/s).

un processeur qui a un cycle de base de 0,83 ns a donc une fréquence de : 1/(0,83×10–9 s) = 1,2×109 Hz = 1,2 GHz.

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La carte mère est l'un des éléments essentiels d'un ordinateur.

Elle assure la connexion physique des différents composants (processeur, mémoire, carte d'entrées/sorties, ...)

par l’intermédiaire de différents bus (adresses, données et commande).

Plusieurs technologies de bus peuvent se côtoyer sur une même carte mère.

La qualité de la carte mère est vitale puisque la performance de l’ordinateur dépend énormément d’elle

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La majorité des cartes mères sont au format ATX et donc compatibles avec les boîtiers et alimentations au même format.

ATX (pour Advanced Technology Extended) est un format de carte mère créé en 1995 par Intel

Des modèles aux dimensions plus réduites existent et le format le plus courant est alors le µATX qui permet notamment d'assembler certains MiniPC.

On désigne généralement par le terme « facteur d'encombrement » (ou facteur de forme, en anglais form factor), la géométrie, les dimensions, l'agencement et les caractéristiques électriques de la carte mère.

Afin de fournir des cartes mères pouvant s'adapter dans différents boîtiers de marques différentes, des standards ont été mis au point.

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La disposition des connecteurs sur une carte mère ATX est prévue de manière à optimiser le branchement des périphériques (les connecteurs IDE sont par exemple situés du côté des disques).

Les composants de la carte mère sont orientés parallèlement, de manière à permettre une meilleure évacuation de la chaleur

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le chipset : c’est 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. C’est le lien entre les différents bus de la carte mère. ƒ

est un circuit électronique chargé de coordonner les échanges de données entre les divers composants de l'ordinateur (processeur, mémoire...).

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le chipset est composé par deux composants baptisé Pont Nord et Pont Sud.

Le pont Nord s’occupe d’interfacer le microprocesseur avec les périphériques rapides (mémoire et carte graphique) nécessitant une bande passante élevée

Le pont Sud s’occupe d’interfacer le microprocesseur avec les périphériques plus lents (disque dur, CDROM, lecteur de disquette, réseau, etc…).

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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. ƒ

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

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Lorsque l'ordinateur est mis hors tension, l'alimentation cesse de fournir du courant à la carte mère, certaines informations doivent être maintenues.

le terme CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) est employé pour désigner un circuit spécialisé présent dans les micro-ordinateurs

Ce dernier 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. 03/11/2015 21

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 et au système d'exploitation, ainsi que l'heure et la date.

Remarque!!

La technologie CMOS est une technologie de fabrication de composants électroniques.

Ce composant est une cible intéressante pour les virus car il reste allumé même lorsque l'alimentation est coupée.

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le BIOS (Basic Input Ouput Service) : c’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) (mémoire morte, c'est-à-dire une mémoire en lecture seule).

Il utilise les données contenues dans le CMOS pour connaître la configuration matérielle du système

et agit comme une interface entre le système d’exploitation et le matériel. ƒ

Le BIOS est le programme basique servant d'interface entre le système d'exploitation et la carte mère.

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Principales fonctionalités

il initialise tous les composants de la carte mère, du chipset et de certains périphériques ;

il identifie tous les périphériques internes et externes qui lui sont connectés ;

si cela n'a pas déjà été fait il initialise l'ordre de priorité des périphériques d'entrée ;

il démarre le système d'exploitation présent sur le premier périphérique disponible.

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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 suffisant pour désactiver la

carte intégrée. (Février 2011))

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les ports de connexion permettent de connecter des périphériques sur les différents bus de la carte mère.

Il existe des ports « internes » pour connecter des cartes d’extension (PCI, ISA, AGP) ou des périphériques de stockage (SCSI, IDE, Serial ATA) et

des ports « externes » pour connecter d’autres périphériques (série, parallèle, USB, firewire, etc …) ƒ

Le ou les connecteurs destinés aux microprocesseurs. Ceux-là déterminent le type de microprocesseur que l’on peut

connecter.

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Les connecteurs destinés au microprocesseur. Il détermine le type de microprocesseur que l’on peut connecter.

Slot (en français fente) : il s'agit d'un connecteur rectangulaire dans lequel on enfiche 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

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• Core : micro architecture, • Core2, i7,i5,i3 : marque • dual, quad ou multi core:

nombre de Unité centrale de traitement sur une meme puce

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Architecture de base / carte mère Partie2

Dr. Kitouni I.

Université Constantine 2 – Abdelhamid Mehri Faculté des NTIC Département MI

Cours de L1 - TRONC COMMUN DOMAINE MATHEMATIQUES – INFORMATIQUE

2015-2016

1. Architecture de base

2. La carte mère

3. Composition d’une carte mère

4. Les bus

5. les connecteurs d’entrée sortie

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Un bus est un ensemble de fils qui assure la transmission du même type d’information.

Un bus est une voie de communication, formée d'un ou plusieurs conducteurs, sur laquelle sont disposées plusieurs connexions.

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).

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On retrouve trois types de bus véhiculant des informations en parallèle dans un système :

Un bus de données : bidirectionnel qui assure le transfert des informations entre le microprocesseur et son environnement, et inversement.

Son nombre de lignes est égal à la capacité de traitement du microprocesseur.

Un bus d'adresses: unidirectionnel qui permet la sélection des informations à traiter dans un espace mémoire (ou espace adressable) qui peut avoir 2n emplacements, avec n = nombre de conducteurs du bus d'adresses.

Un bus de commande: constitué par quelques conducteurs qui assurent la synchronisation des flux d'informations sur les bus des données et des adresses.

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Les bus sont très différents les uns des autres, et ont des caractéristiques très différentes.

Sa largeur

C'est le nombre de bits qui peuvent être transmis simultanément sur le bus.

Son 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.

Sa latence

C'est le temps d'attente que met une donnée à être transférée sur le bus. Ce temps de latence dépend de la fréquence du bus et d'autres paramétrés. Plus il est bas, plus le bus est rapide.

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Son caractère synchrone ou asynchrone

Certains bus possèdent un fil sur lequel circule un signal d'horloge permettant de synchroniser les différents composants : ce sont les bus synchrones. D'autres se passent de signal d'horloge, et synchronisent leurs composant par d’autres méthodes.

Son protocole

Le protocole d'un bus définit comment celui-ci est géré. Ce protocole définit quand et comment les données doivent être envoyées sur le bus.

Types de liaisons : Parallèle ou série

ƒ Liaison parallèle: tous les bits d’un mot sont transmis simultanément. Ce type de transmission permet des transferts rapides mais reste limitée (faibles distances de transmission, coût et encombrement et des problèmes d’interférence électromagnétique (fiabilité).

Liaison série: les bits constitutifs d’un mot sont transmis les uns après les autres sur un seul fil. Les distances beaucoup plus importantes mais, la vitesse de transmission intéressante, fiabilité.

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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. ƒ

Bus IDE : 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.

Lorsque 2 périphériques sont reliés sur le même canal, un doit être le maître (prioritaire sur la prise du bus) et l’autre l’esclave. ƒ

Bus PCI (Peripheral Component Interconnect) : Il a été créé en 1991 par Intel. Il permet de connecter des périphériques internes. C’est le premier bus à avoir unifier l’interconnexion des systèmes

d’entrée/sortie sur un PC et à introduire le système plug-and-play.

Il autorise aussi le DMA.

C’est un bus de 32 bits. On retrouve une révision du bus PCI sur les cartes mères de serveur ayant une largeur de bus de 64 bits et une fréquence de 133 MHz. ƒ

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Exemple de connecteurs PCI 32 bits : Connecteur PCI 32 bits, 5 V

Connecteur PCI 32 bits, 3.3 V :

Les connecteurs PCI 64 bits proposent des broches supplémentaires, mais peuvent néanmoins accueillir les cartes PCI 32 bits.

Exemple de connecteurs 64 bits : Connecteur PCI 64 bits, 5 V :

Connecteur PCI 64 bits, 3.3 V

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Le bus PCI Express, noté PCI-E ou 3GIO pour «Third

Generation I/O»), est un bus d'interconnexion permettant l'ajout de cartes d'extension dans l'ordinateur.

Le bus PCI Express a été mis au point en juillet 2002.

Contrairement au bus PCI, qui fonctionne en interface parallèle, le bus PCI Express fonctionne en interface série, ce qui lui permet d'obtenir une bande passante beaucoup plus élevée que ce dernier.

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Les connecteurs PCI Express sont incompatibles avec les anciens connecteurs PCI et possèdent des tailles variables et une plus faible consommation électrique.

Une des caractéristiques intéressantes du bus PCI Express est la possibilité de brancher ou débrancher des composants à chaud.

Les connecteurs PCI Express sont reconnaissables grâce à leur petite taille et leur couleur gris foncé. 32 connecteurs et est destiné à un usage d'entrées-sorties à haut débit (à gauche)

64 connecteurs et est destiné à un usage sur serveurs (à droite)

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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. Il autorise en plus le DIME (DIrect

Memory Execution) qui permet au processeur graphique de travailler directement avec les données contenues dans la RAM sans passer par le microprocesseur à l’instar d’un DMA.

C’est un bus 32 bits et son débit maximum est de 2 Go/s (en x8). ƒ

Bus ISA (Industry Standard Architecture) : C’est l’ancêtre du bus PCI. On ne le retrouve plus sur les nouvelles générations de cartes mères. ƒ

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Bus SCSI (Small Computer System Interface) : c’est un bus d’entrée/sortie parallèle permettant de relier un maximum de 7 ou 15 périphériques par contrôleur suivant la révision du protocole utilisée.

C’est une interface concurrente à l’IDE qui présente l’avantage de pouvoir connecter plus de périphériques pour des débits supérieurs.

En outre, ces périphériques peuvent partager le bus lors d’un dialogue contrairement à l’IDE. Mais son coût reste très élevé… il est utilisé pour les serveurs. ƒ

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Le standard 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.

En effet, le mode de transmission en parallèle n'est pas prévu pour supporter des fréquences élevées en raison des problèmes liés aux interférences électromagnétiques entre les différents fils

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Bus USB (Universal Serial Bus ) : c’est un bus d’entrée/sortie plug-and-play série. Dans sa deuxième révision (USB 2.0), il atteint un débit de 60 Mo/s. Un de ces avantages est de pouvoir connecter théoriquement 127 périphériques. Il supporte de plus le hot plug-and-play (connexion ou déconnexion de périphériques alors que le PC fonctionne).

Bus firewire : c’est un bus SCSI série. Il permet de connecter jusqu’à 63 périphériques à des débits très élevés (100 à 400 Mo/s). Ces applications sont tournées vers la transmission de vidéos numériques. ƒ

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Liaison pont nord/pont sud : ses caractéristiques dépendent du chipset utilisé.

Chaque fabricant a en effet développé une solution propriétaire pour connecter les deux composants de leur chipset.

Pour Intel, c’est Intel Hub Architecture (IHA) dont les débits atteignent 533 Mo/s. Pour Nvidia (en collaboration avec AMD), c’est l’HyperTransport qui atteint des débits de 800 Mo/s.

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Tous les bus « internes » (PCI, IDE, AGP) vont être amenés à disparaître très rapidement et seront remplacés par des bus série : ƒ Le Serial AtA, remplaçant du bus IDE, présente des débits de 150 Mo/s

qui passeront bientôt à 300 Mo/s dans la prochaine révision du bus. Il permet de connecter des disques durs ou des lecteurs optiques. ƒ 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).

Les bus de connexions filaires tendent à être remplacés par des systèmes de communications sans fils. A l’heure actuelle, il existe : ƒ le Bluetooth qui offre actuellement un débit de 1 Mb/s pour une portée

d’une dizaine de mètre et qui va servir à connecter des périphériques nécessitant des bandes passantes faibles (clavier, souris, etc…). ƒ

le WIFI (WIreless FIdelity Network) qui permet de connecter des ordinateurs en réseau. La dernière révision permet des débits de 54 Mb/s.

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La carte mère possède un certain nombre de connecteurs d'entrées-sorties regroupés sur le « panneau arrière ».

Port série, Port parallèle, Ports USB, Connecteur RJ45, Connecteur VGA (appelé SUB-D15), Prises audio (entrée Line-In, sortie Line-Out et microphone)

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