architecture et fonctionnement d`une carte mere

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ORAL PROBATOIRE
OPTION SYSTEMES D’INFORMATION
ARCHITECTURE ET FONCTIONNEMENT
D’UNE CARTE MERE POUR PC
PETITGAND Gérald
Session 2004
Architecture et fonctionnement d’une carte mère pour PC
Sommaire
Introduction _________________________________________________________________ 3
1.
2.
3.
Architecture d’une carte mère _______________________________________________ 4
1.1.
L'évolution de la micro-informatique __________________________________________ 4
1.2.
Le modèle d’architecture_____________________________________________________ 5
1.3.
Structure d'un ordinateur ____________________________________________________ 9
1.4.
Les processeurs_____________________________________________________________ 9
Fonctionnement d’une carte mère pour PC ____________________________________ 9
2.1.
Principe de fonctionnement___________________________________________________ 9
2.2.
Fonctionnement de l'unité centrale ____________________________________________ 9
2.3.
Exécution d'un programme___________________________________________________ 9
2.4.
La carte mère et ses composants_______________________________________________ 9
2.5.
Fonctionnement de la carte mère ______________________________________________ 9
Le futur _________________________________________________________________ 9
3.1.
Les constructeurs de cartes mères _____________________________________________ 9
3.2.
Les nouvelles technologies dans la carte mère____________________________________ 9
3.3.
Futur proche_______________________________________________________________ 9
3.4.
Les tendances ______________________________________________________________ 9
Au final _____________________________________________________________________ 9
Glossaire ____________________________________________________________________ 9
Bibliographie ________________________________________________________________ 9
Petitgand Gérald
Oral probatoire système d’information
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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-informatique1 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.
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Voir glossaire
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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.
1.1.
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.
1.1.1. 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.
1.1.2. 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
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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".
1.1.3. 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 1980. La fabrication des premiers
micro-ordinateurs construits autour d'un processeur Motorola 6800 remonte à cette période.
1.1.4. 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.
1.1.5. 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 centrale2 !
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.
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Ces grands principes restent d’actualité. Nous allons aborder les différents éléments qui
composent la machine Von Neumann.
1.2.1. 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 commande3.
Von Neumann était un mathématicien qui a travaillé sur la première génération d’ordinateur à
base de tube à vide (1945-1955).
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.
L1
L2
L3
1001|0010|1101
ADD| α | β
add(α,β)
niveau électronique
niveau registre4
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.
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Voir glossaire
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Î Traduction : les instructions L2 sont remplacées par des instructions L1 puis
exécutées.
Î Interprétation : un programme écrit en L1 est capable d’analyser et d’exécuter des
instructions en L2.
1.2.2. 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.
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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.
1.2.2.1.
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 2n. 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
1.2.2.2.
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.
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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 CPU5 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.
1.2.3. 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 ».
1.2.4. 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'UAL6 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.
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Central Processing Unit (Voir glossaire)
Voir glossaire
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1.2.5. 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 9-99-100. Naturellement, c'est sous
forme décimale dont l'ordinateur le voit. Convertissez ces derniers en binaire pour obtenir :
0000100100000000011000110000000001100100
L'ensemble de toutes les opérations qu’un processeur peut faire s'appelle son ensemble
d'instruction.
1.2.6. 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 68030 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.
1.3.
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 bus7.
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Voir glossaire
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1.3.1. 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
1.3.2. 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.
1.4.
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)
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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.
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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.
2.2.
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
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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 1.
2.3.
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).
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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 ASCII8.
2.4.
La carte mère et ses composants
2.4.1. 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
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acronyme de American Standard Code Information Interchange (Voir glossaire)
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Figure 11 : éléments caractéristiques d’une carte mère
Nous allons détailler tous les éléments que nous voyons dans la figure 11.
2.4.2. 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.
2.4.3. 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 133
- Le Serial ATA (SATA)
- Le RAID
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-
l'USB 2.0
Le son intégré avec enceintes 6.1
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
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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).
2.4.4. 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.
2.4.5. 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
CMOS9 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.
2.4.6. 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
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2.4.7. 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.
2.4.7.1.
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.
2.4.7.2.
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.
2.4.7.3.
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.
2.4.8. 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.
2.4.8.1.
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...
2.4.8.2.
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
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2.4.8.3.
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.
2.4.8.4.
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.
2.4.8.5.
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.
2.4.9. Les ports
Une carte mère comporte un certain nombre de ports destinés à connecter différents
périphériques. Voici les plus connus :
2.4.9.1.
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.
2.4.9.2.
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
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2.4.9.3.
AGP
Le bus AGP (accelerated graphic port) est apparu avec le Pentium II en 1997. Il permet
de traiter 32 bit à la fois et ce à une fréquence de bus de 66 mhz. Ses qualités résident pour
grande partie en sa rapidité (500 Mo par seconde pour le 2 X et 1 Go pour le 4 X, et maintenant
2 Go par seconde pour le 8x). Il communique avec le port AGP.
Le port AGP est le plus rapide de tous.
Figure 17 : photo d’un port AGP.
2.4.9.4.
Le port destiné au processeur
Le connecteur pour le processeur appelé « socket » est destiné au processeur et ne
cesse d'évoluer. Il est passé du socket 7 (processeurs Pentiums), au slot 1 chez INTEL, et slot
A chez AMD. Il fait un retour en force, sous forme de socket 478 en support carré pour les
processeurs Pentium 4 et Celeron chez INTEL et socket 462, support également carré pour les
processeurs Athlon XP et Duron chez AMD. Les chiffres correspondent au nombre de trous du
socket.
2.4.10.
La mémoire
La mémoire est un dispositif capable d'enregistrer, de conserver et de restituer des
informations. Le nombre de ports sur une carte mère peut aller de trois ports DIMM (Dual Inline
Memory Module) à six. D’une manière générale il y en a quatre. Les barrettes DIMM sont des
mémoires 64 bit.
Figure 18 : photos des supports et des barrettes mémoires.
2.4.11.
Format des cartes mères
Il existe plusieurs formats de carte mère.
Carte AT : ancienne, pour les 386 et 486. L’AT est l’ancêtre de l'ATX, presque
totalement disparu. Aujourd'hui c’est l’ATX, qui est le plus répandu.
Carte ATX : les connecteurs séries, parallèle, ports PS/2 souris et clavier sont intégrés à
la carte mère; maintenant en standard on trouve une carte son intégrée ainsi que des ports USB
et un port pour le réseau.
Carte micro-ATX : cette carte est une variante compacte de la carte ATX avec un ou
deux connecteurs PCI et un AGP, prévus pour les mini-PC.
Les nouvelles cartes mères pour processeurs Intel nécessitent au moins la norme ATX 2
(alimentation d'au moins 300 watt), car il faut la prise carrée nécessaire au surplus d'énergie
que demandent les périphériques. En conséquence, il faut vérifier la compatibilité du boîtier.
Petitgand Gérald
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Figure 19 : photo d’une prise femelle nécessaire sur les cartes mères pour processeurs
INTEL : ATX 12 V.
Les principaux constructeurs de ce marché sont ABIT, ASUSTEK, INTEL, GIGABYTE,
MSI...
2.5.
Fonctionnement de la carte mère
La carte mère est en fait le système nerveux du PC, sur laquelle sont connectés tous les
éléments du PC.
Le chipset, auparavant constitué de multiples composants, est désormais formé par
l'association de deux puces reliées par un bus à haut débit. La plus proche du processeur
baptisée « Northbridge » sert de contrôleur entre le processeur et la mémoire vive, et gère le
connecteur graphique AGP. Une carte graphique est d'ailleurs parfois intégrée au
« Northbridge ». Cette puce pioche dans la mémoire les informations dont le processeur a
besoin pour effectuer les calculs. L'autre puce appelée « Southbridge » intègre les contrôleurs
d'entrée/sortie (prises PS2, réseau, USB, série, parallèle, disques durs, lecteurs et graveurs,
connecteurs PCI, etc.) et le module audio optionnel. La liste des éléments contrôlés est longue,
mais le fonctionnement est pratiquement toujours le même : quand un logiciel envoie une
demande de lecture ou d'écriture sur l'un des composants, la commande transite par le chipset
avant de parvenir au composant lui-même. Inversement, le périphérique peut aussi informer le
système d'exploitation qu'il a quelque chose à dire. Le système décide alors de lui donner ou
non la « parole ». Les demandes sont des ordres du genre : « sauvegarder le fichier sur le
périphérique A », « lire les informations sur B », « C demande la parole pour envoyer des
informations ». A, B ou C peuvent être aussi bien un disque dur, qu'un périphérique sur port
USB ou une connexion réseau. Le chipset constitue donc la moelle épinière de la carte mère :
un centre nerveux qui régit la circulation des informations entre les différents composants du
micro.
Au centre des calculs de l'ordinateur, on trouve le processeur. Les derniers modèles, qui
fonctionnent à 3 GHz et plus, traitent plusieurs milliards d'opérations à la seconde. Chaque
calcul du processeur est constitué d'opérations élémentaires. Les opérateurs (les instructions
comme l'addition) et les opérandes (les nombres) sont stockés, avant et pendant leur
traitement, dans des cellules de mémoire internes au processeur très rapides appelées
registres. Le résultat du calcul retourne dans la mémoire vive pour une utilisation ultérieure, par
exemple l'affichage sur écran ou la sauvegarde sur disque.
Egalement appelée RAM, la mémoire vive stocke les informations nécessaires au
fonctionnement du système d'exploitation (Windows, Linux, etc.) et au déroulement des
programmes (logiciels). Si nous travaillons par exemple, avec un traitement de texte, les
caractères saisis au clavier s'affichent à l'écran et sont stockés dans la mémoire vive en
attendant une sauvegarde sur disque dur. La mémoire vive est volatile, c'est-à-dire que l'arrêt
de l'ordinateur fait perdre toutes les données qui y sont stockées.
Si nous communiquons principalement par le biais de la parole, l'ordinateur nous
transmet ses informations principalement de façon visuelle, via la carte graphique reliée au
connecteur ou port AGP (Advanced Graphics Port), connexion dédiée exclusivement à la carte
graphique, elle est issue des limites du port PCI, qui ne suffisait plus à afficher les scènes 3D
complexes. Le débit de l'AGP, largement supérieur aux 133 Mo/s du bus PCI, lui assure une
bien meilleure fluidité d'affichage. Enfin, un lien direct avec la mémoire système autorise la carte
graphique à utiliser la mémoire vive pour compenser le manque de mémoire vidéo.
Après avoir abordé le fonctionnement actuel d’une carte mère, nous allons nous
intéresser à ses perspectives.
Petitgand Gérald
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3. Le futur
Des tablettes PC ne seront plus que des écrans plats tactiles : il semble que l’évolution
technologique n’a pas de limite.
3.1.
Les constructeurs de cartes mères
Toutes les nouvelles technologies sont intégrées dans les cartes mères. Grâce à la
miniaturisation des composants, les constructeurs de cartes mères pour PC se livre bataille
contre ceux des PC portables qui deviennent de moins en moins chers.
En plus de ce phénomène, les grands constructeurs de cartes mères se livrent une
bataille acharnée entre eux.
Nous allons faire un panel des constructeurs qui offrent de plus en plus de
fonctionnalités à leurs produits.
3.1.1. MSI
Parmi les grands constructeurs MSI présente sa carte mère pour Pentium 4 PT880 Neo.
MSI a lancé sa nouvelle carte mère pour Pentium 4 basée autour du dernier chipset VIA : la
PT880 Neo. Comme son nom l'indique cette carte utilise un chipset VIA PT880.
Ce chipset qui n'a pas encore été annoncé, supporte les derniers processeurs Pentium 4
avec une fréquence de bus de 800 MHz et Hyperthreading mais également la mémoire DDR
400 sur deux canaux.
Cette carte possède la nouvelle connectivité "Meta I/O" qui permet de profiter de
connexions audio optique et coaxial et de ports FireWire et i-Link. Le tout sera proposé avec 5
prises jacks (micro et sortie ligne) intégrées pour la compatibilité 6 canaux. Le Meta I/O offre
également un branchement spécial pour connecter d'autres solutions / modules externes.
3.1.2. ABIT
Abit intègre un chipset INTEL IS7 i865P avec un socket 478 PIV qui gère le Dual DDR
400. Elle possède 6 canaux Audio, SATA 150, IEEE 1394 et une sortie S/PDIF10.
ABIT continue à développer et à intégrer les technologies existantes tout en intégrant de
nouvelles. Plus spécifiquement, cela implique l’exploration de nouvelles possibilités qui incluent
l'Internet, la technologie Bluetooth, le multimédia.
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SONY-PHILIPS Digital Interface (Voir glossaire)
Petitgand Gérald
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-
3.1.3. Asustek
Il n’est pas en reste en proposant la « P5GDC-V Deluxe » qui inclue :
Le chipset Intel 915G,
La gestion du Dual-Channel DDR 400 & DDR2 533,
L’accélérateur Intel Graphics 900
Deux connecteurs PCI Express.
3.2.
Les nouvelles technologies dans la carte mère
La miniaturisation a permis une augmentation des fonctionnalités intégrées dans les
cartes mères.
Voici les différentes technologies intégrées dans une carte mère d’aujourd’hui et leurs
fonctionnements.
3.2.1. Chipset Intel 915G
Le chipset Intel 915G supporte les dernières technologies comme les processeurs
Pentium 4 LGA775, l'architecture dual-channel DDR, ou encore la nouvelle interface graphique
PCI Express x16. Il dispose également d'un contrôleur graphique Intel Media 900 de grande
qualité. Couplé au Southbridge qui intègre un contrôleur 4 ports SATA RAID, une interface PCI
Express x1 et jusqu'à 8 ports USB 2.0, le chipset Intel 915G, est la meilleure solution pour les
amateurs de performances.
3.2.2. Dual-Channel DDR & DDR2
De nombreuses cartes mères supportent 2 sockets DDR et 2 sockets DDR2 DIMM afin
de fournir une plus grande flexibilité. L'architecture dual-channel permet de doubler la bande
passante permettant ainsi d'atteindre des vitesses de 6.4 GB/s pour la DDR, ou 8.6GB/s pour la
DDR2.
3.2.3. Architecture PCI Express
Le PCI Express est la dernière technologie d'interconnexion I/O qui va remplacer l'actuel
PCI. Avec une bande passante de bus 4 fois plus rapide que l'interface AGP 8X, le bus PCI
Express x16 exécute beaucoup plus rapidement les applications que l'AGP 8X, tels les jeux 3D.
Le PCI Express x1 surpasse également l'interface PCI classique grâce à sa largeur de bande
exceptionnelle allant jusqu'à 500MB/s. L'interface haute vitesse du PCI Express permettra
également de nouvelles utilisations sur les PC de bureau, comme le Gigabit LAN, 1394b, et les
systèmes RAID.
3.2.4. Le serial ATA
Il aura fallu attendre l'été 2002 afin que la nouvelle norme de disque dur, le SATA (High
Speed Serialized AT Attachment) ne soit plus une vitrine technologique, mais belle et bien une
réalité. Après de longues années de bons et loyaux services, le PATA (Parallèle ATA) va
commencer à céder sa place à son successeur, le SATA.
3.2.4.1.
Évolution
Le SATA n'est pas une nouvelle norme, mais une évolution de l'ancienne norme PATA
qui arrive en fin de vie.
Petitgand Gérald
24/30
Pour pouvoir faire ce passage en douceur, ces deux normes sont 100% compatibles via
des adaptateurs permettant de brancher des disques durs PATA sur des contrôleurs SATA et
vice-versa.
Le débit théorique de l'interface passe donc de 133 Mo/s (UDMA 133) à 150 Mo/s (SATA
150). Cette évolution peut paraître faible.
3.2.4.2.
Révolution
Les données ne seront plus transférées de manière parallèle, mais en série. Cela va
permettre d'utiliser moins de câbles, et de limiter les problèmes de perturbations
électromagnétiques du PATA (obligation de mettre des fils supplémentaires pour le blindage sur
les nappes 80 fils). La méthode parallèle consiste à envoyer des données sur plusieurs fils en
même temps, tandis que le transfert série utilise moins de fils mais avec une circulation plus
rapide des données.
Bien qu'il reprenne tous les avantages du PATA (compatibilité, prix), le SATA va laisser
derrière lui ses défauts et va essayer d'adopter les qualités de son concurrent direct, le SCSI.
3.2.4.3.
Les fonctionnalités supplémentaires :
- La première est le hot plug. Dorénavant, on va pouvoir brancher nos disques durs "à
chaud" comme le SCSI, ce qui va faciliter leur intégration dans des périphériques externes,
mais aussi sur des systèmes RAID dans des serveurs, où l'arrêt des ordinateurs pour
ajouter/changer un disque dur n'est pas possible.
Grâce à une nouvelle connectique pour l'alimentation et le transfert des données, ces
nouveaux disques durs peuvent être facilement "rackables", et il n'y a plus besoin de forcer pour
installer les câbles. Le câble de données supporte une vitesse de transfert allant jusqu'à 3
Gbps, et elle est identique sur les disques durs de portable (2.5") et sur les disques durs de
desktop (3.5"). La largeur du câble est de 8mm (contre 5cm sur les nappes PATA), et la
longueur du câble peut atteindre 1 mètre.
- La connectique série ne permet de mettre qu'un disque dur par prise, il n'y donc plus de
problème de maître ou d'esclave, il suffit de relier le dur au connecteur du contrôleur via un
câble.
Qui dit compatibilité avec les portables dit forcément économie d'énergie. Ainsi nous
avons droit à 3 stades de fonctionnement :
- Phy Ready : mode actif
- Partial : actif en moins de 10µs
- Slumber : actif en moins de 10ms
Nous pouvons constater que le réveil du disque même en mode de super veille est très rapide.
3.2.4.4.
Des débuts difficiles
Alors que des contrôleurs étaient disponibles depuis longtemps, les disques durs se sont
fait rares jusqu'à l'hiver 2002 où les premiers exemplaires faisaient leur apparition chez
Seagate. Ces nouveaux disques durs ont la particularité d'être des durs PATA (ancienne
génération) munis d'un convertisseur parallèle vers série. Certains avantages du SATA sont
donc disponibles (connectique, hotplug), mais du point de vue performances, aucun gain
notable, voire même des performances moindres par rapport à leur homologue PATA, dues à la
conversion des données.
Les nouveaux disques durs avec la technologie SATA en natif viennent de faire leur
apparition.
Petitgand Gérald
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3.2.4.5.
Problèmes et à priori
Les premiers contrôleurs SATA étaient et sont encore parfois des puces externes au
« southbridge » relié à celui-ci par un bus PCI.
La majorité des cartes mères grand public disposent d'un bus PCI 32 bits cadencé à 33
MHz, qui fournit un débit théorique de 133 Mo/s. Donc pour tout contrôleur SATA sur une carte
PCI externe, le débit sera bridé à 133 Mo, entre le contrôleur et le reste du PC (mais pas entre
le disque dur et le contrôleur).
Sur les puces intégrées aux cartes mères, le bus PCI 32 bits peut être cadencé à 66
MHz (ASUS A7V8X par exemple), ce qui permet donc un débit théorique de 266 Mo/s, bien
supérieur aux 150 Mo/s du SATA.
3.3.
Futur proche
3.3.1. Les processeurs Intel
Intel ne dépassera pas les 4 GHz en 2004. Alors que des processeurs cadencés à
4 GHz étaient prévus au dernier trimestre de cette année, Intel vient de faire savoir que ceux-ci
ne verraient pas le jour avant l'année prochaine, ces processeurs venant d'être une fois de plus
repoussés. Le multi-core, Pentium M, influence des architectures concurrentes, mais n'arrive
pas à monter en fréquence.
Le fondeur a également fait savoir qu'il augmentera les performances de son processeur
pour ordinateurs de bureau en augmentant la taille du cache de niveau 2 (Level 2). Ainsi
débarquera au début de l'année prochaine, en lieu et place du 4 GHz, un processeur cadencé à
3,8 GHz et équipé d'un cache de 2 Mo, contre 1 Mo pour les modèles d'aujourd'hui.
Il faudra donc attendre plus longtemps pour éventuellement voir un processeur à 4GHz
faire son entrée sur le marché, mais ce serait sans compter sur le Pentium dual-core qui fera
prochainement son apparition, et une architecture Pentium M qui pourrait se voir déclinée en
version desktop.
3.3.2. Les processeurs multi-core pour 2005
Le processeur multi-core (multi-cœur) est un double processeur dans un seul support.
Cette évolution technologique implique un certain nombre de problèmes.
3.3.2.1.
Problème politique
Le porte-parole du fondeur, vient de "justifier" ce délai en annonçant que le « fondeur »
souhaitait simplement assurer une livraison massive de ses processeurs le jour de leurs mises
sur le marché.
Les processeurs multi-cores risquent d’être comptabilisés comme deux processeurs
distincts au niveau des licences.
C’est le genre de mésaventure qui arrivera à certains patrons d’entreprises lorsqu’ils
migreront vers ces nouveaux processeurs, qu’ils soient de chez Intel ou chez AMD.
Les deux « fondeurs » d’ailleurs militent pour que les logiciels professionnels, facturés
normalement au processeur, adoptent la signification « facturés au socket » car un processeur
multi-core repose sur une seul « socket ».
En effet, constatant le manque à gagner sur les licences par processeur dans le cas d’un
processeur multi-core, des éditeurs comme Oracle n’ont pas hésité à transformé ce modèle en
« licence par cœur », ce qui dans le cas des processeurs qui sortiront dès 2005, représentera
une facture doublée même si le serveur n’utilise qu’un seul processeur.
Nous comprenons qu’Intel et AMD essaient de sensibiliser les éditeurs : leurs solutions
vont d’abord s’orienter vers le monde professionnel. Et si le coût des logiciels est trop important,
Petitgand Gérald
26/30
la pénétration du marché par ces technologies sera ralentie, et les ventes seront moins bonnes
que prévues.
3.3.2.2.
Problèmes techniques
Un problème de température, l’Itanium dual-core consomme plus de 150W qu’il faut
dissiper.
Intel lors de la présentation de l’Itanium dual-core a évalué la consommation électrique
du futur processeur entre 150W et 180W.
Résultat, les spécialistes du refroidissement de chez Intel sont en train de travailler sur
un système de refroidissement spécial, à base de TEC (Thermo-Electrical Conductor) ou
Peltier, afin de dissiper cette gargantuesque source de chaleur...
3.4.
Les tendances
Intel partage sa vision des années à venir avec la règle des 3 "C". Trois "C" pour
Computing, Communication et Convergence. En d'autres termes, nous entrons dans l'ère de la
convergence entre la micro-informatique et la communication.
Figure 20 : la convergence des innovations
La communication est à l'honneur avec les développements en la matière, la
démocratisation des réseaux sans fil.
Petitgand Gérald
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Au final
Personne n’aurait pu prédire il y a cinquante ans qu’un outil créé à des fins militaires
aurait pu évoluer vers un outil nous permettant au quotidien de communiquer.
Nous pouvons faire un parallèle avec le réseau mondial, Internet. Nous retrouvons nos
bus de données qui transmettent les informations sur de longues distances sans aucune perte.
Toutes ces ressources associées forment une gigantesque mémoire universelle. Le tout
interagit avec différentes interfaces d’entrées/sorties que constituent les sites Web, les emails,
les téléchargements, etc.
A travers ce document, nous avons cherché à comprendre l’architecture actuelle des
cartes mères et leurs fonctionnements. Pour finir nous avons exploré quelques pistes sur les
tendances à venir de cette technologie.
A l’heure actuelle nous assistons à une mutation du marché de l’informatique avec une
mise en concurrence de l’ordinateur PC monolithique face à ses concurrents tels que le PC
portable, le téléphone portable et le Pocket PC. En effet, tous trois tendent à offrir les mêmes
fonctionnalités que sont la connexion à Internet, la photographie, l’organiseur personnel et bien
d’autres choses encore. A l’heure actuelle nous ne sommes pas certain que l’ordinateur que
nous connaissons aujourd’hui existera encore demain. C’est l’une des raisons qui ont poussé
les constructeurs à se diversifier. Par exemple Asustek a construit son portable et HP a sorti son
Pocket PC.
Nous avons même maintenant des ordinateurs intégrés dans des écrans plats tactiles.
Ces tablettes PC ont trouvé leurs premières applications dans le milieu hospitalier. Nous
pouvons retrouver ces outils dans le domaine public. Par exemple Toshiba a sorti sa tablette PC
pour le grand public.
Pour les ordinateurs destinés a un usage personnel, nous pouvons observer deux
phénomènes. D’une part la démocratisation de l’ordinateur portable ; c’est un produit qui est
devenu très abordable. L’ordinateur portable était à l’origine conçu pour les utilisateurs
nomades. Maintenant il trouve sa place dans les foyers qui ne veulent plus s’encombrer d’un
boîtier et d’un écran. D’autre part, nous pouvons observer un autre concept d’ordinateur : les
ordinateurs de salon. Ils prennent la place des magnétoscopes mais offrent en plus d’autres
fonctionnalités ludiques tels qu’Internet, des applications de bureautique, des jeux et de la
vidéo.
Dans la dernière partie, nous avons aussi pu constater que la course à la vitesse était
toujours d’actualité avec les constructeurs de processeurs qui vont bientôt atteindre les 4GHz et
des cartes mères qui intègrent de plus en plus de fonctionnalités. Cette course incessante a un
coût que les constructeurs payent lorsqu’ils n’arrivent pas à respecter leurs engagements. Nous
avons pu observer aussi l’étroit lien qu’il y a entre industrie du logiciel et celle du matériel (dualcore), où chacun d’entre eux influence l’autre.
Nous pouvons en conclure que l’avenir de l’informatique nous réserve encore des
surprises. A ce titre, je suis impatient de découvrir cette fusion qui s’opère entre la
communication (UMTS11) et le travail nomade (BlackBerry12).
11
12
Universal Mobile Telecommunications System (Voir glossaire)
Voir glossaire
Petitgand Gérald
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Glossaire
Système informatique : ensemble des moyens logiciels et matériels nécessaires pour
satisfaire les besoins informatiques des utilisateurs.
Unité centrale : élément de l’ordinateur qui interprète et exécute les instructions d’un
programme stocké en mémoire centrale : c’est le cerveau de l’ordinateur. Il est composé d’un
mémoire centrale et du CPU.
CPU (Central Processing Unit) : élément composé d’un UAL et d’une unité de
commande.
Unité de commande : dirige le fonctionnement des autres unités (UAL, mémoire centrale,
entrées/sorties …) en déclenchant des signaux. Elle contient deux registres importants, registre
d'instruction (RI) qui contient l'instruction en cours d'exécution et le compteur ordinal (CO) qui
contient l'adresse de la prochaine instruction à exécuter.
Registre : mémoire très rapide permettant de stocker les résultats intermédiaires ou des
informations de commande (chaque registre à une fonction particulière).
UAL (Unité arithmétique et logique) : sous-ensemble qui effectue toutes les opérations et
comparaisons arithmétiques pour l'égalité.
Bus : ensemble de lignes capable de transmettre ou recevoir des signaux.
ASCII : acronyme de American Standard Code Information Interchange, qui signifie code
standard américain d'échange d'information. ASCII est un standard qui permet à n'importe quel
ordinateur, quel système d'exploitation ou son matériel, de lire le texte.
Sortie S/PDIF : connexion pour brancher un système home cinéma audio, via une sortie
optique ou coaxiale S/PDIF (SONY-PHILIPS Digital Interface). Ceci permet de transférer le son
digital sans nécessiter de conversion en format analogique, garantissant ainsi un son de qualité.
CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semi conductor) : type de circuit intégré à faible
consommation d'énergie utilisé pour la fabrication des microprocesseurs.
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) : nom d'un système de téléphonie
mobile de troisième génération, de conception européenne, qui vise à permettre aux appareils
de supporter des débits de transmission de données pouvant atteindre jusqu'à 2 mégabits par
seconde (Mbit/s). Il a également pour but d'unifier l'ensemble des systèmes qui existent à
travers le monde.
BlackBerry : famille d'appareils sans fil produits par « Research in Motion » (Ontario,
Canada). Ces petits appareils sont disponibles sous forme d'assistants personnels. Ils sont
conçus pour se synchroniser avec plusieurs systèmes de courrier électronique. Ils sont
constamment accessibles et se synchronisent avec la messagerie électronique en permanence.
Petitgand Gérald
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Bibliographie
Cours du CNAM :
« Cours Architecture des systèmes B4 » ; année 2000 / 2001, M. Lionel Cloarec.
« Méthodologie de programmation des systèmes B3 » ; année 2000 / 2001,
Mme Bénédicte Batrancourt.
Cours IUT d’Orsay :
« Cours d’architectures des ordinateurs », année 1997 / 1999, M. Alain Vauchelles.
Magazines informatiques :
« 01 informatique », octobre 2004.
« L’ordinateur individuel », octobre 2004.
Liens Internet :
http://www.hardware.fr "AMD Athlon 64 4000+", M. Marc Prieur, le 19 Octobre 2004.
http://encyclopedie.linternaute.com Dictionnaire informatique, « Intern@ute magazine ».
http://www.monsieurprix.com/informatique.html Site Internet d’achat en ligne.
http://www.01net.com/produits/ Site Internet de comparatif de produits informatiques
en ligne.
http://www.intel.com/cd/corporate/europe/emea/fra/182870.htm Site du constructeur
("fondeur") de microprocesseurs Intel.
http://www.amd.com/fr-fr/ Site du constructeur de microprocesseurs AMD.
http://www.abit.com.tw/page/fr/index.php Site du constructeur de carte mère ABIT.
http://france.asus.com/ Site du constructeur de carte mère ASUSTEK.
http://www.msi-computer.fr/ Site du constructeur de carte mère MSI.
Petitgand Gérald
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architecture et fonctionnement d`une carte mere

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