La carte mère pour les systèmes économiques

T endances
INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
Autour du bus PCI dans les
industrielles…
▼
Aujourd’hui, les facteurs de forme standards se multiplient autour des architectures Intel et des évolutions du bus PCI.
Le PICMG qui normalise tous ces nouveaux formats est plus actif que jamais. Cet article s’efforce de brosser un rapide
panorama des différentes solutions, de leurs avantages et de leurs inconvénients avec comme fil conducteur le bus de
communication.
L’
informatique industrielle, c’est
avant tout de l’informatique! Les
systèmes industriels sont donc
amenés à évoluer relativement
souvent, au même titre que les systèmes
bureautiques.Avec l’avènement du PC et des
“architectures Intel” dans les systèmes durcis, cela est de plus en plus criant. L’informatique industrielle est de plus en plus tributaire de l’informatique grand public. Or,
l’industrie a besoin de pérennité et de stabilité, car les cycles de renouvellement des
équipements industriels ne sont pas ceux
des ordinateurs bureautiques. Les acteurs de
ce marché sont donc tiraillés entre, d’une
part une demande de pérennité de la part
de leurs clients, et d’autre
part une évolution très
L’essentiel
rapide des technologies
Différents standards d’ininformatiques.
formatique industrielle
Par ailleurs, les applicacoexistent autour du bus
PCI et des architectures
tions industrielles au sens
Intel
large ont des besoins sup La carte mère ATX
plémentaires en matière
engendre des systèmes
de robustesse, de ventilaéconomiques
tion, de consommation,
Le fond de panier passif
de nombre d’entrées/sorgarantit une certaine
ties, de disponibilité, de
pérennité
fiabilité, de redondance…
Le CompactPCI permet
l’insertion/extraction à
Surtout, au même titre
chaud des cartes
que l’informatique grand
L’AdvancedTCA offre une
public, l’informatique
bande passante incompaindustrielle n’offre vérirable
tablement d’avenir que si
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les systèmes et les sous-systèmes sont des
standards, c’est-à-dire proposés par de nombreux constructeurs.
Avec la montée des architectures X86, des
organismes de normalisation se sont formés
pour proposer des standards électromécaniques autour des architectures PC, répondant aux contraintes des applications industrielles. Le plus important d’entre eux est le
PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturer Group, prononcer “Pic MG”). Il
reprend les travaux du comité PCI-SIG (en
charge de normaliser le bus PCI) pour standardiser différents formats électromécaniques industriels (le plus connu d’entre eux
est le CompactPCI).
Le bus PCI tient à l’heure actuelle une place
de prédilection. Le bus PCI a succédé au bus
ISA. Demain, on trouvera essentiellement
sur les PC, les bus PCI-X et PCI Express. C’est
Intel qui mène la danse en choisissant régulièrement de changer de bus de communication pour augmenter la bande passante.
Toutefois, on peut dire que les différents
“bus Intel” finissent tôt ou tard par trouver
leur place dans un facteur de forme industriel. Surtout, le bus soutenu par Intel est toujours associé de manière privilégiée aux processeurs X86 du moment…
Que choisir parmi tous les facteurs de forme
industriels? Mettons de côté les applications
“purement embarquées”, où les besoins
s’expriment en termes de faible consommation, faible puissance processeur, taille
mémoire réduite, alimentation sur batteries
et assez peu d’entrées/sorties. Dans cette
situation, les choix se porteront sur les facteurs de forme dédiés à l’embarqué :
1
PC/104, 5 pouces /4, ETX, X- Board, ESM…
Pour une grande partie des applications, le
côté embarqué n’est pas requis : les préoccupations vont plutôt tourner autour du
nombre de cartes d’extensions du système,
de la pérennité, de l’évolutivité de l’ensemble
et du MTTR (Mean Time To Repair), c’est-àdire du temps moyen de réparation du système lorsqu’un élément lâche…
En fonction de ces critères et de quelques
autres (voir schéma), différentes solutions
standards s’offrent à l’intégrateur.
La carte mère pour les systèmes
économiques
La première est la carte mère. Ce format universellement utilisé dans le PC bureautique permet la réalisation d’un PC de type rack
19 pouces.Il suffit de lui ajouter l’alimentation,
le disque dur, la mémoire RAM et quelques
périphériques comme un graveur et un lecteur
de disquette pour faire un PC complet.Une carte mère comporte un processeur, un chipset,
un contrôleur audio,ainsi que les périphériques
classiques du PC :port série,parallèle,USB,clavier, souris et parfois même contrôleur graphique avec sortie VGA. Elle dispose en outre
de quelques slots d’extension pour cartes
PCI. Le format ATX est le plus répandu : ce
format standardise la dimension de la carte
MESURES 765 - MAI 2004
Tendances
ainsi que l’alimentation. Il permet d’utiliser
des cartes PCI au format PCI long.
Il n’existe pas à proprement parler de cartes
mères industrielles : les cartes utilisées sont
les mêmes que pour la bureautique. Le gros
pérennisés et ils ne tiennent pas en température étendue.Autre inconvénient : le MTTR
des PC à base de carte mère est élevé. Imaginons qu’un composant chauffe un peu trop
et “claque”. Pour réparer le système, il faut
architectures
Panorama des solutions autour du bus PCI
Le choix d’une solution matérielle d’informatique industrielle est une affaire de compromis :entre d’une part,des critères comme la pérennité,la criticité de l’application,la bande passante et d’autre part,le coût,la maturité…
avantage de ce format est bien entendu son
prix : une carte mère coûte moins de
100 euros chez certains fournisseurs. L’inconvénient majeur de ce format est qu’il
n’offre absolument aucune pérennité : les
cartes mères changent de composants en
moyenne tous les six mois. D’une commande à l’autre, vous pouvez découvrir que
le processeur a changé sans que la référence
de la carte ait été modifiée. Si l’on doit
déployer le système considéré sur plusieurs
années, il vaut mieux le savoir! Pour quelques
euros économisés au départ, on peut se
mordre les doigts à l’arrivée, après que le
système ait été qualifié plusieurs fois… Un
PC industriel architecturé autour d’une carte mère n’aura a priori “d’industriel” que le
nom : les composants de la carte ne sont pas
MESURES 765 - MAI 2004
retirer toute la carte mère, c’est-à-dire dévisser le châssis, l’ouvrir, déconnecter tous les
périphériques, retirer les cartes d’extension,
dévisser la carte mère du fond du châssis, la
remplacer par une autre, reconnecter le tout
et “refermer la boîte”. Bref, pour les applications critiques à haute disponibilité, mieux
vaut oublier…
Derniers inconvénients de la carte mère : le
nombre et la nature des slots d’extension.
Ce nombre est en général limité : pas plus
de 6 ou 7 en général. A l’heure actuelle, il
est quasiment impossible de trouver des
cartes mère avec des slots ISA. Depuis qu’Intel a abandonné le bus ISA, celui-ci est de plus
en plus marginal. C’est un problème pour
de nombreux industriels qui ont fait développer spécifiquement des cartes au format
ISA et qui ne peuvent plus les utiliser dans
les nouvelles architectures.Actuellement, on
trouve encore du bus PCI sur les cartes mère :
toutefois, l’histoire se répète car les jours du
bus PCI sont comptés. Celui-ci devrait laisser
la place à court terme au bus parallèle PCI-X
et à moyen terme au bus série PCI-Express.
Qu’on se le dise : avec une architecture “carte mère”, on est complètement tributaire des
aléas de l’informatique bureautique…
De la pérennité avec les fonds
de panier passifs
Mieux vaut souvent se tourner vers les architectures à fond de panier passif. Un fond
de panier passif est défini, par opposition à
une carte mère, par le fait qu’il ne dispose
d’aucun composant actif (comme le processeur, le chipset, les mémoires…). Il comporte un certain nombre d’emplacements
pour accueillir des cartes au format ISA ou
PCI ainsi qu’un emplacement pour une carte CPU. Cette carte appelée aussi carte SBC
(pour Single Board Computer) vient s’encastrer perpendiculairement au fond de
panier comme toutes les autres cartes d’extension ISA et PCI. Une fois le PC assemblé,
toutes les cartes sont parallèles, enfichées perpendiculairement dans le fond de panier. La
carte CPU possède en fait deux zones de
connecteurs : une pour le bus ISA et l’autre
pour le bus PCI. Elle permet donc d’adresser à la fois les cartes situées sur le fond de
panier ISA et les cartes situées sur le fond de
panier PCI. Les avantages des fonds de panier
passifs sont nombreux : à l’heure actuelle,
ils sont pratiquement la seule possibilité pour
ceux qui disposent encore de cartes ISA.
D’autre part, le nombre de slots d’extension
est bien plus élevé que sur les cartes mère :
on peut atteindre jusqu’à 20 emplacements
(en comptant celui de la CPU) dans un châssis 19 pouces.Toutefois, le format à 14 slots
(CPU comprise) est le plus répandu.A noter
que la variété des fonds de panier passifs est
impressionnante : on trouve chez certains
fournisseurs toutes les tailles et toutes les
répartitions en terme de slots ISA/PCI…
Le MTTR d’une architecture à fond de panier
passif n’a rien à voir avec celui d’une architecture carte mère. Imaginons que le processeur chauffe et claque, il y a juste à “ouvrir
la boîte”, déconnecter la carte CPU et la remplacer par une autre.Autre avantage connexe,
il est très facile de faire évoluer un système en
substituant la carte CPU par une autre dotée
d’un processeur plus puissant.
Le MTBF (Mean Time Between Failure),
c’est-à-dire le temps moyen jusqu’à la panne, est lui aussi plus long avec les architec-
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Tendances
Carte mère (ATX)
CPU
4 emplacements
pour carte PCI
Carte mère
Fond de panier (PICMG 1.X)
Carte CPU
3 emplacements
pour carte ISA
Bus passif
10 emplacements
pour carte PCI
La carte mère est
une solution économique,non pérenne.
Contrairement au
fond de panier passif,elle offre peu de
slots d’extension.
34
tures à fond de panier passif qu’avec les systèmes à carte mère : « Sur les cartes mère,les composants chauffent,il peut y avoir des points chauds sur le
dessous de la carte,sur la face qui n’est pas ventilée.Dans
une architecture à fond de panier passif,la carte CPU est
à la verticale, elle est donc ventilée des deux côtés »,
explique Jean-Christian Rerat, responsable
de la division produits chez Atemation.
Les fournisseurs de cartes CPU pour bus passif ne sont pas les mêmes que ceux qui élaborent les cartes mère. Ils ciblent le marché
industriel et n’utilisent en général que des
composants pérennisés de la division
“Embedded” d’Intel. En théorie, la fourniture de ces composants est assurée pendant
au moins cinq ans, parfois plus... Mais parfois
moins : il est rare que l’on achète une carte
au tout début de son cycle de vie. Si la carte
existe depuis deux ans même avec des composants pérennisés “Intel Embedded”, on ne
sera assuré d’être fourni que pendant les trois
ans qui vont suivre.
Introduite en 1994, la référence en matière de carte CPU pour fond de panier passif
est celle de la norme PICMG 1.0. Cette spécification (beaucoup moins connue que le
CompactPCI ou PICMG 2.0) a eu le méri-
te de standardiser la connexion entre le fond
de panier et la carte CPU.Aujourd’hui, tous
les fournisseurs de cartes pour l’industrie
proposent des cartes CPU et des fonds de
panier passifs au format PICMG 1.0. Il est
ainsi possible de substituer les matériels
entre les différents fournisseurs. Le
PICMG 1.0 définit sur la carte CPU une
zone de connecteurs pour le bus ISA et une
zone de connecteurs pour le bus PCI. Les
deux bus sont ainsi présents sur le fond de
panier passif, ce qui est le gros avantage de
cette architecture.
Soulignons aussi l’existence d’un format particulier : le PIAGP (contraction de PCI, ISA
et AGP) proposé uniquement par le Taiwanais IEI. Outre le bus PCI et le bus ISA, les
fonds de panier passifs PIAGP intègrent un
slot AGP pour accueillir une carte graphique.
« Ce format nous permet de conquérir une niche d’applications qui nécessitent beaucoup de performances en
affichage,plusieurs sortiesVGA par exemple », explique
Gérard Trembleau, responsable Marketing
chez A Plus qui distribue et intègre les produits IEI en France. Par conséquent, les cartes
CPU au format PIAGP disposent d’un
connecteur AGP, ce qui ne les rend pas com-
patibles avec les slots PICMG 1.0. L’inconvénient est donc que l’on est cantonné à l’offre
de ce constructeur.
En 2002, une nouvelle spécification a vu le
jour au sein du PICMG : le PICMG 1.2. A
l’instar du PICMG 1.0, ce document a pour
but de normaliser un nouveau format de carte CPU pour fond de panier passif. Cette fois
le trait est définitivement tiré sur le bus ISA :
les cartes CPU PICMG 1.2 ne comportent
plus guère… ...que deux bus PCI!
Pourquoi deux? Il y a en fait un bus “lent”
de type PCI conventionnel à 33 ou 66 MHz
et un bus “rapide” de type PCI-X à 66, 100
ou 133 MHz. « L’intérêt est d’avoir deux zones de bus
avec des vitesses différentes pour migrer en douceur vers
les technologies les plus récentes », explique Frank
Priou, directeur des ventes de Kontron France.
Pour Frédéric Aupetit, ingénieur chez Ecrin
Systems, « l’intérêt est de mettre les cartes lentes avec les
cartes lentes et les cartes rapides avec les cartes rapides.C’est
toujours la carte la moins performante qui impose la vitesse d’horloge sur le bus.Si on utilise une carte 33 MHz dans
un ensemble à 66 MHz,le bus fonctionnera à 33 MHz.L’intérêt est également d’avoir plusieurs transferts en parallèle
vers le processeur ou la mémoire,ce qui n’est pas possible avec
un seul bus. » Il s’agit quand même d’un sacré
pari puisque d’une part le bus ISA est encore
malgré tout assez répandu et que d’autre part
les technologies PCI Express arrivent à la vitesse grandV… Les premières cartes au format
PICMG 1.2 sont à l’heure actuelle disponibles
chez Adlink et chez Kontron.
CompactPCI et AdvancedTCA
pour les châssis industriels
Pour davantage de puissance, davantage de
bande passante et davantage de cartes d’extensions, il faudra se tourner vers les châssis
industriels dont l’un des plus connus est le
CompactPCI.Apparu en 1997, sous la référence PICMG 2.0, ce format définit un châssis industriel avec à l’origine le bus PCI en
fond de panier. Plus rien à voir ici avec le traditionnel “PC industriel à papa”. Ce format
cible résolument les applications critiques,
haut de gamme. Les cartes sont directement
accessibles en face avant sans avoir besoin
d’ouvrir quoi que ce soit. On peut même les
insérer/extraire à chaud (PICMG 2.1), c’està-dire lorsque le système fonctionne. Si elles
sont redondées, il n’y a dans ce cas aucune
interruption du service. On dispose également avec ce format d’une interface de gestion système IPMI (selon PICMG 2.9) et d’un
bus I2C qui permettent de remonter des
informations sur l’état matériel du système
(tensions d’alimentations des cartes, températures des processeurs, vitesse de rotation
des ventilateurs…) vers un contrôleur de
MESURES 765 - MAI 2004
Tendances
gestion système.
Le CompactPCI a beaucoup évolué depuis
son origine : l’évolution la plus importante
est la spécification PICMG 2.16 qui introduit
en fond de panier, un plan Ethernet commuté sur le connecteur J3 en complément
du bus PCI sur les connecteurs J1 et J2.
Cette tendance a d’ailleurs été répercutée avec
la naissance du tout dernier bébé du PICMG,
c’est-à-dire l’AdvancedTCA ou PICMG 3.0. Il
s’agit tout simplement de la troisième génération de systèmes industriels du PICMG
(Voir Mesures d’octobre 2003). Ce format
élimine définitivement le bus PCI du fond
de panier au profit d’un plan d’interconnexion de type série de troisième génération à très haut débit : gigabit Ethernet, PCI
Express, ou encore Infiniband… Ce standard
est résolument tourné vers les applications
de télécommunication à forte criticité et
gourmandes en bande passante. Peut-être
verra-t-on ces technologies dans l’industrie
lourde. Après tout, Foxboro propose bien un
système de contrôle de process disposant d’un
réseau maillé Ethernet (voir Mesures n° 759
page 8) dans un format propriétaire.
Le bus est la colonne vertébrale des systèmes
informatiques industriels. Que le bus vienne
à changer et toutes les cartes d’extensions
deviennent obsolètes. Cela implique des coûts
de migration qui sont loin d’être négligeables.
Avant de s’engager sur un standard, mieux
vaut attendre que celui-ci soit “vraiment”
standard… Mais pas trop non plus, car un
autre pourrait le pousser sur la touche…
Bertrand Braux
Tout ce que vous avez voulu savoir
sur le bus PCI sans jamais oser le demander !
▼
PCI-X, PCI Express, Universal PCI, 32 bits ou 64 bits, 33 ou 66 MHz, etc. Difficile parfois d’y voir clair dans toutes les subtilités
que nous réserve le bus PCI… Vous trouverez dans ce “FAQ*” une partie des réponses aux questions que vous vous posez.
entre en communication avec la cible il
garde la main sur le bus et ne le libère pas
tant qu’il n’a pas eu de réponse de la cible :
cela peut durer 8 ou 16 coups d’horloge.
Pendant ce temps, le bus est inutilisable
pour les autres périphériques connectés.
En protocole PCI-X, lorsque l’initiateur
envoie un message à la cible, il libère le
bus immédiatement après et attend la
réponse de la cible qui arrivera peut-être 8
ou 16 coups d’horloge après. La bande
passante du bus est ainsi optimisée. Le
PCI-X existe en 64 bits avec des fréquences
d’horloge de 66 MHz, 100 ou 133 MHz.
Le PCI 64 bits/66 MHz est il forcément du
PCI-X ?
Non. Pour certains, le PCI-X n’est autre que
l’évolution du PCI 33 MHz à une vitesse de
66 MHz. Que ce soit bien clair : il existe du
PCI 66 MHz/64 bits comme il existe du PCIX à 66 MHz/64 bits. La différence se situe
au niveau du protocole utilisé. En
revanche, on ne pourra trouver que du
Qu’est-ce que le bus PCI ?
PCI signifie Peripheral Component Interconnect. Mot à mot, il s’agit du bus d’interconnexion des périphériques des ordinateurs PC. Il s’agit à l’origine d’un bus
parallèle de 32 bits, c’est-à-dire qu’il est
capable de véhiculer 32 bits en parallèle à
chaque coup d’horloge. La fréquence
d’horloge était à l’origine de 33 MHz. Le
débit théorique maximal de ce type de bus
est donc de 132 Mo/s. Le PCI a succédé au
bus ISA (Industry Standard Architecture) à
16 bits. Aujourd’hui, le bus PCI peut véhiculer une information sur 64 bits moyennant une extension de ses connecteurs ; la
fréquence d’horloge atteint 66 MHz. Le
débit d’un bus PCI 64 bits/66 MHz est donc
quatre fois supérieur à celui d’un bus PCI
32 bits/33 MHz.
Qu’est-ce que le bus PCI-X ?
Le PCI-X est une évolution du PCI en terme de protocole de communication utilisé. Avec le PCI, lorsque l’initiateur du bus
PCI-X pour des fréquences d’horloge supérieures à 66 MHz. La raison vient de ce que
le protocole PCI ne permet pas de monter
en fréquence. Plus la fréquence augmente
et plus le nombre de charges sans répéteur
sur le bus diminue (et donc le nombre de
slots d’extension diminue). Un bus PCI à
66 MHz ne pourra disposer sans pont PCIPCI que de deux périphériques. En
revanche, un bus PCI-X à 66 MHz pourra
avoir jusqu’à 4 slots sans pont PCI-PCI.
Tout l’intérêt du PCI-X est là. Toutefois, à
100 MHz, le PCI-X n’offre plus que deux
slots sans répéteur et à 133 MHz plus
qu’un seul…
Le PCI et le PCI-X sont-ils compatibles ?
Oui. Autrement dit, les slots PCI-X
accueillent les cartes PCI et les slots PCI
accueillent les cartes PCI-X. Toutefois, le
système fonctionnera avec les performances du PCI conventionnel. Un bémol
toutefois : en général, les cartes PCI-X ont
des signaux 3,3 V tandis que les slots PCI
*Frequently Asked
Questions
Les cartes 5 V ne
s’enfichent que
dans les emplacements 5 V.Les
cartes 3,3 V ne
s’enfichent que
dans les emplacements 3,3 V.Les
cartes au format
PCI universel
prennent place
dans tous les types
de slots.
Les différents formats de cartes PCI
Carte PCI 5 V 64 bits
Carte PCI 3,3 V 64 bits
3,3 V
64 bits
Slot 3,3 V
32 bits
3,3 V
Slot 3,3 V
Slot 5 V 64 bits
Slot 5 V
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64 bits
Slot 3,3 V
64 bits
32 bits
5V
Carte PCI Universelle 64 bits
Slot 5 V
Slot 3,3 V
Slot 5 V
5V
64 bits
Slot 3,3 V
64 bits
32 bits
Slot 5 V
Slot 3,3 V
Slot 5 V
35
Tendances
sont encore en 5 V.
PCI-X, c‘est la même chose que PCI
Express ?
Non ! Rien à voir entre les deux ! PCI-X tout
comme PCI est un bus parallèle. PCI
Express est un bus série. Il s’agit de la troisième génération de bus d’interconnexion
des périphériques du PC soutenue par Intel
(si l’on considère que la première génération est l’ISA, et la seconde PCI/PCI-X).
Avec la montée des fréquences d’horloge,
les bus parallèles atteignent leurs limites
en raison des différences de propagation
entre les différents canaux. Les bus série à
très haut débit (plusieurs gigabit/s) comme PCI Express font partie de l’avenir des
architectures X86. A moyen terme, les
cartes mère bureautique ne disposeront
sans doute plus que de slots PCI Express.
PCI-X et PCI Express sont-ils compatibles ?
Non, absolument pas. Pas plus que PCI et
PCI Express. Il y aura sûrement cependant
des systèmes permettant de faire la
conversion entre les différentes
connexions…
Toutefois, la compatibilité sera assurée au
niveau logiciel. Les drivers des cartes pour
PCI Express seront similaires à ceux des
36
cartes PCI, ce qui devrait faciliter la migration des applications logicielles.
Qu’est ce que le bus AGP ?
L’Advanced Graphics Port est la connexion
dédiée à la carte graphique d’un PC. Elle
est issue des limites du bus PCI qui ne suffisait plus à afficher les scènes 3D complexes. Le débit de l’AGP, largement supérieur au 132 Mo/s du bus PCI, lui assure
une bien meilleure fluidité d’affichage.
Avec l’arrivée de PCI Express, l’avenir de ce
bus est un peu compromis.
Qu’est ce que le format Universal PCI ?
Afin de limiter la consommation des
machines avec la montée des fréquences
d’horloge, le niveau des signaux PCI a été
abaissé de 5 V à 3,3 V. Afin d’éviter l’utilisation d’une carte 5 V dans un slot 3,3 V et
d’une carte 3,3 V dans un slot 5 V une
encoche à l’avant des cartes 3,3 V a été
définie. Sur les cartes 5 V, cette encoche
était à l’arrière de la carte. Par conséquent,
les cartes 3,3 V ne rentrent que dans les
slots 3,3 V et les cartes 5 V ne rentrent que
dans les slots 5 V. Le problème le plus fréquent est le suivant : on achète un nouveau PC pour plus de puissance. Celui-ci
ne dispose que de slots 3,3 V. On ne pourra
donc plus utiliser les anciennes cartes
d’entrées/sorties qui fonctionnaient dans
l’ancienne machine… Pour continuer à
disposer de slots 5 V, mieux vaut opter
pour une architecture à fond de panier
passif plutôt qu’à carte mère…
Autre cas de figure : il arrive que l’on
veuille racheter de nouvelles cartes plus
performantes pour améliorer le système.
Ces nouvelles cartes sont en 3, 3 V et ne
peuvent trouver place dans l’ancien serveur ! Dans le but de contourner ce problème, un nouveau format de cartes appelé
“Universal PCI” a été défini. Les cartes à ce
format peuvent s’enchâsser aussi bien
dans les slots 5 V que dans les slots 3,3 V.
Ce format donne la garantie de pouvoir
bel et bien utiliser cette carte !
Tout cela n’est-il pas trop compliqué ?
Si bien entendu, car c’est de l’informatique !
Pour simplifier le problème, disons que les
cartes PCI à 33 MHz sont souvent en 32 bits
avec des signaux 5 V, les cartes à 66 MHz
sont souvent en 64 bits avec un protocole
PCI-X et des signaux en 3, 3 V. A bientôt pour
PCI Express…
BB
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