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A savoir sur les Cartes mères

  • A. Les différents type de bus

    Les bus sont les lignes qui relient les différents composants. Ils sont nombreux et fonctionnent avec des débits différents. En réalité, il y a 3 types de lignes différents :

    • les lignes de données chargées de transporter les données,
    • des lignes d’adresse qui fait transiter les adresses des emplacements mémoires dont le processeur à besoin
    • et des lignes de commandes où transitent les commandes.

    bus largeur fréquence débit
    PCI 32 bits 33 MHz 133 Mo/s
    AGP 8x 32 bits 66 MHz 2,13 Go/s
    PCI-X 64 bits 133MHz 4,26 Go/s
    PCI Express 1x 1 bit 100 MHz 500 Mo/s
    PCI Express 4x 4 bits 100 MHz 2 Go/s
    PCI Express 8x 8 bits 100 MHz 4 Go/s
    PCI Express 16x 16 bits 100 MHz 8 Go/s
    Processeur (fsb 266MHz) 64 bits 266 MHZ 8,53 Go/s
    Mémoire (ddr2-667) 64 bits 166 MHz 5,328 Go/s

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  • B. Des bus et des ponts

    Le processeur a évidemment un rôle central et doit pouvoir communiquer avec tous les périphériques. Cependant, le processeur n’est pas connecté directement avec tous les périphériques, cette solution rendrait les cartes mères trop complexe et nécessiterait un changement de processeur à chaque nouvelle technologie de composant.

    Les périphériques se connectent sur un bus relié au processeur. Chaque périphérique dialogue avec le processeur avec un protocole de communication commun. Ce standard de communication permet donc de limiter les connecteurs et les technologies donc les coûts et permet facilement de supporter les nouveaux composants. D’où l’universalité et l’évolution des éléments intégrés dans nos ordinateurs : compatible PC.

    Ceci est une simplification du fonctionnement réel, car ce sont en fait les contrôleurs de composant (disque dur, mémoire...) qui se connectent à ce bus commun affranchissant les périphériques en eux-mêmes de ce contrôle. Du côté du processeur un contrôleur de bus (gestionnaire des protocoles de communications) externe au processeur est chargé de dialoguer sur ces bus. C’est ce qu’on appelle les ponts (bridge).

    Il est rare qu’un protocole remplace complètement l’autre lors de l’évolution des technologies. C’est pourquoi les nouveaux standards comme le PCI Express sont ajoutés dans la liste des protocoles soutenus ce qui permet de garder les anciens ports PCI et même ISA (bus LPC).

    Il n’y a pas qu’un seul bus qui pourrait poser des problèmes de bouchons et de transmissions, de plus certains périphériques ont besoin de bien plus de bande passante que d’autre (par exemple : carte réseau / mémoire). Il y a donc plusieurs types de bus fonctionnant à des fréquences et des transmissions en parallèle ou en série, donc débits différents.

    Les transmissions séries, c’est-à-dire avec un seul fil sur lequel transite toutes les données sont l’avenir, ils permettent des montées en fréquence, à opposer aux anciennes transmissions parallèles sur plusieurs fils, qui posaient des problèmes de synchronisations et de gestions lors des montées en fréquences.

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  • C. Le bus processeur et le bus de commande

    Le socket processeur est unique pour chaque génération de processeur. Il limite donc l’évolutivité de la configuration. Les sockets actuels sont pour Intel le LGA775 et pour AMD l’AM2.

    Ce socket permet d’accueillir les multiples broches du processeur qui sont autant de lignes qui constituent le bus processeur. Chaque génération de processeur a un nombre de broches différent et des fonctionnalités particulières pour chacune d’elle, d’où l’incompatibilité d’une génération à l’autre.

    Le bus processeur ou FSB (Front Side Bus) relie le processeur au northbridge et indirectement à tous les autres éléments de la carte mère. Il est un des plus influent sur les performances générales du système.

    Ce bus est constitué de trois bus aux rôles différents le bus de données, le bus d’adresse et le bus de commande.

    Le bus de commande

    Le bus de commande ou bus de contrôle transporte les ordres et les signaux de synchronisation entre le processeur et les autres composants.

    Le bus de commande permet d’envoyer les requêtes associées avec l’envoi des données et des adresses dans les deux autres bus. Par exemple, les requêtes de lecture ou d’écriture lors de transfert entre processeur et mémoire.

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  • D. Le bus de d'adresse et le bus de données

    Le bus de d’adresse

    Le processeur est un super calculateur ultra rapide, mais encore faut-il qu’il ait des données à calculer ! C’est le rôle de la mémoire de contenir les données, mais aussi d’autres périphériques. Dès que le processeur a besoin d’une donnée, il envoie son adresse par le bus d’adresse en direction du composant visé. Bien souvent une adresse en mémoire vive, mais aussi un autre composant ou périphérique grâce aux ports d’Entrée/Sortie qui sont des identifiants uniques qui les caractérisent. La mémoire ou le périphérique reçoit le signal d’adressage et renvoie la donnée visée par le bus de données. De même lorsque le processeur veut envoyer des données à un composant, il envoie les données par le bus de données et l’adresse où il souhaite qu’elle soit sauvegardée par le bus d’adresse.

    La largeur du bus d’adresse entre processeur et mémoire influent sur les quantités de mémoire adressable donc la quantité de mémoire que l’on peut utiliser sur une plateforme. Au début de l’informatique le bus de 20 bits permettait d’adresser 1 Mo de mémoire vive maintenant avec des bus à 36 bits (des Pentium 4 par exemple) permettent d’adresser 64 Go de mémoire vive !

    Le bus de données

    C’est souvent lui qui définit l’ensemble du bus processeur pour le grand public, son débit étant mis en avant. Il est vrai que pratiquement toutes les informations doivent y passer, d’où son importance.

    Sa fréquence de fonctionnement dépend du processeur utilisé et n’a de cesse d’augmenter dès qu’une nouvelle génération de processeur apparaît, complètement lié aux caractéristiques de celui-ci.

    Les nouveaux processeurs utilisent un bus à 266 MHz pour une largeur de 64 bits, fournissant un débit de plus de 8 Go/s. Calculé assez simplement par la formule :

    Débit = (fréquence du bus ) x (largeur du bus en d’octet) x 4,

    x 4 car le bus utilise la technologie QDR (cf ci-après)

    d’où 266 * 8 * 4 = = 8512 Mo/s = 8 Go/s.

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  • E. Le bus mémoire

    Le contrôleur mémoire est présent dans le northbridge (Intel) ou inclut dans le processeur pour les modèles AMD. C’est ce contrôleur qui permet de gérer de la DDR ou de la DDR2 avec des fréquences et des latences plus ou moins élevées.

    Un contrôleur de qualité est nécessaire pour faire fonctionner convenablement de la mémoire haut de gamme.

    Le bus mémoire fonctionne à 64 bits comme le bus processeur. La fréquence du bus est modulable selon celles supportées par les barrettes qui l’équipent. Par exemple la DDR2 667 (dénommé PC5300 ou PC 5400) fonctionne à 667 MHz (333 MHz en réalité) pour un débit de 5318 Mo/s d’où son nom.

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  • F. Le bus d’extension (PCI, PCI Express 1x / 4x)

    Géré par le southbridge, le PCI offre un débit de 133 Mo/s. Il est en fin de vie, son débit n’étant plus suffisant et même limitant beaucoup les performances, car la bande passante est divisée entre les périphériques connectés.

    Le PCI Express 1x et 4x (500 Mo/s et 2000 Mo/s) le remplace avantageusement. La bande passante est beaucoup plus importante et garantie pour chaque port.

    Les interfaces rapides (contrôleur SATA par exemple) peuvent maintenant être utilisées efficacement sans goulet d’étranglement du bus PCI.

    La principale différence du PCI Express par rapport au PCI est l’utilisation de ligne de transmission série là où le PCI utilise des transmissions en parallèle.

    En série, les bits sont envoyés sur une seule et même ligne. Cette solution facilite la synchronisation des envois et permet d’augmenter plus facilement le débit par rapport à l’utilisation de multiple ligne parallèle.

    Une ligne PCI Express est une paire de liens fonctionnant chacun à 2,5 Gbit/s chacun, soit 250 Mo/s et pas 320 Mo/s car pour un octet (8 bits) le bus transmet en réalité 10 bits.

    Cette transmission série est d’ailleurs utilisée par les ports SATA, USB ou FireWire en remplacement des anciennes technologies parallèles des ports Ata ou port Parallèle de nos anciennes imprimantes.

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  • G. Le bus graphique (AGP, PCI Express 16x)

    L’ancien AGP est déjà remplacé depuis plusieurs années par le PCI Express 16x, mais il n’est pas mort pour autant. L’AGP fonctionne à 66 MHz pour un débit de 2 Go/s. Débit très important afin de faire transiter les données graphiques.

    Le PCI Express 16x fonctionnel lui à 100 MHz pour un débit de 8 Go/s. Ces ports sont donc connectés par 16 lignes PCI Express.

    Les systèmes SLI NVIDIA ou CrossFire d’ATI permettent de faire fonctionner deux cartes graphiques ensemble, les cartes mères sont alors équipées de deux ports PCI Express.

    Cependant, les deux ports ne fonctionnent pas obligatoirement en 16x, le nombre de ligne activable est limité. Ils peuvent fonctionner en 16x/4x ou 8x/8x, à vérifier selon les constructeurs.

    Bus Fréquence Bande Passante
    PCI 33 MHz 0,133 Go/s
    AGP v66 MHz 2 Go/s
    PCI-Express 1x 100 MHz 0,5 Go/s
    PCI-Express 4x 100 MHZ 2 Go/s
    PCI-Express 8x 100 MHz 4 Go/s
    PCI-Express 16x 100 MHz 8 Go/s

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  • H. DDR (Dual data Rate) et QDR (Quadruple Data Rate).

    Le moyen le plus évident pour augmenter la vitesse d’un bus est d’augmenter sa fréquence. Cependant, de fortes contraintes technologiques interdisent une montée sans limites, la plus pénalisante est le dégagement calorifique. Plus un composant fonctionne à des fréquences élevées plus il dégage de chaleur. Ennemi de tout composant électronique, la chaleur au mieux limitera sa durée de vie et au pire le détruira purement et simplement.

    Pour augmenter la bande passante, les ingénieurs ont donc multiplié les moments où les données sont transférées. Sur un bus, les données sont transmises à chaque tape d’une horloge qui fournit un signal sinusoïdal (passant d’une valeur maximum à une valeur minimum alternativement) afin que la transmission soit synchrone.

    Habituellement sur un bus, les données sont envoyées sur le front montant quand le signal d’horloge passe de sa valeur minimale à sa valeur maximale.

    La première solution a été d’envoyer les données sur le front montant et sur le front descendant (quand le signal passe de sa valeur maximale à minimale) d’où une synchronisation conservée et une bande passante doublée. C’est le Double Data Rate (Double transfert de données) ou bus DDR.

    Mais les ingénieurs ne se sont pas arrêtés là. Pour encore augmenter la bande passante, une autre technique est utilisée, le QDR ou Quadruple Data Rate. Le signal de base de l’horloge est dédoublé. Les deux signaux d’horloge fournissent alors deux fronts montants et descendants soit 4 tapes de synchronisation. Ce qui permet de fournir un taux de transfert quadruplé à fréquence égale. C’est le bus Quad Pumped d’Intel.

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