Au coeur du PC
Sommaire
La carte mère
L'élément constitutif principal de l'ordinateur est la
carte-mère, c'est sur cette carte que sont connectés ou soudés l'ensemble
des éléments essentiels de l'ordinateur.
La carte-mère contient des éléments embarqués
(intégrés àla carte) :
- Le chipset, circuit qui contrôle la majoritédes ressources (interface de bus
du processeur,mémoire cache et mémoire vive, slots d'extension,...)
- L'horloge et la pile du CMOS
- Le BIOS
- Le bus système
Il existe plusieurs façons de caractériser une carte-mère:
- son facteur d'encombrement
- son chipset
- son type de support de processeur
On entend généralement par facteur d'encombrement, la géométrie et les dimensions
de la carte-mère. Afin de fournir des cartes-mères pouvant s'adapter dans différents boîtiers
de marques différentes, des standards ont étémis au point:
- AT baby
- AT full format
- ATX
- LPX
- NLX
Le chipset (traduisez jeu de composants) est un circuit électronique chargéde coordonner
les échanges de données entre les divers composants de l'ordinateur (processeur, mémoire; ...).
Dans la mesure oùle chipset est intégréàla carte-mère, il est important
de choisir une carte-mère embarquant un chipset récent afin de garantir àvotre PC un
maximum de chance de pouvoir évoluer.
Certains chipsets intègrent parfois une puce graphique ou une puce audio (généralement sur
les PC bas de gamme), ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire d'installer une carte graphique ou une carte son.
Toutefois, étant donnéla piètre qualitéde ces composants intégrés, il est généralement conseilléde les désactiver (lorsque
cela est possible) dans le setup du BIOS et d'installer des cartes d'extension dans les emplacements
prévus àcet effet !
L'horloge temps réel (parfois notée RTC, ou real time clock)
est un circuit chargéde la synchronisation des signaux du système. Elle est constituée
d'un cristal qui, en vibrant, donne des impulsions (appelés tops d'horloge) afin de cadencer
le système. On appelle fréquence de l'horloge (exprimée en Mhz) le nombre
de vibrations du cristal par seconde, c'est-à-dire le nombre de tops d'horloge émis par seconde.
Plus la fréquence est élevée, plus il y a de tops d'horloge et donc plus le système
pourra traiter d'informations.
Lorsque vous mettez votre ordinateur hors tension, l'alimentation cesse de
fournir du courant àla carte-mère. Or, lorsque vous le rebranchez,
votre système d'exploitation est toujours àl'heure bien que l'unité
centrale n'était plus alimentée pendant un certain temps.
En réalitémême lorsque votre PC
est débranchéou qu'une panne d'électricitéintervient, un circuit
électronique appeléCMOS (Complementary Metal-Oxyde Semiconductor, parfois appeléBIOS CMOS) conserve certaines informations sur le système,
y compris l'heure et la date système. Le CMOS est continuellement alimentée par une pile (au format pile bouton)
située également sur la carte-mère. Ainsi, les informations sur le matériel installédans l'ordinateur
(comme par exemple le nombre de pistes, de secteurs de chaque disque dur) sont conservées dans le CMOS. Dans la
mesure oùle CMOS est une mémoire lente, certains systèmes recopient parfois le contenu du CMOS
dans la RAM (mémoire rapide), le terme de memory shadow est utilisépour décrire ce processus
de copie en mémoire vive.
Le "complémentary metal-oxyde semiconductor", est une technologie de fabrication de
transistors, précédée de bien d'autres, comme la TTL ("Transistor-transistor-logique"), ou la TTLS (TTL Schottky) (plus rapide), ...
Avant la CMOS, il y avait également la NMOS (canal négatif) et la PMOS (canal positif).
La CMOS, qui a permis de mettre des canaux complémentaires sur une m&ecric; me puce, a ainsi été une grande avancée.
Par rapport à la TTL ou TTLS, la CMOS est beaucoup moins rapide, mais a le grand avantage de consommer infiniment moins d'énergie,
d'où son emploi dans les horloges d'ordinateurs, qui sont alimentées par des piles.
Ainsi le terme de CMOS est parfois utiliséabusivement pour désigner l'horloge des ordinateurs
Ainsi, si vous constatez que votre PC àtendance àoublier l'heure,
oùque l'horloge prend du retard, pensez àen changer la pile !
Le BIOS (Basic Input/Output System) est le programme basique servant d'interface entre
le système d'exploitation et la carte-mère. Le BIOS est stockédans une ROM (mémoire morte, c'est-à-dire une
mémoire en lecture seule), ainsi il utilise les données contenues dans le CMOS pour
connaître la configuration matérielle du système.
Il est possible de "configurer" le BIOS
grâce àune interface (nommée BIOS setup, traduisez configuration du BIOS)
accessible au démarrage de l'ordinateur par simple pression d'une touche (généralement la
touche Suppr. En réalitéle setup du BIOS sert uniquement d'interface pour la configuration
et les données sont stockées dans le CMOS.
Pour plus d'informations n'hésitez pas àvous reporter au manuel de
votre carte-mère).
Le processeur (aussi appelémicroprocesseur) est le coeur de l'ordinateur,
car il exécuteles instructions des programmes grâce àun jeu d'instructions. Le processeur est caractérisépar sa fréquence, c'est-à-dire la cadence à
laquelle il exécuteles instructions. Ainsi, de manière grossière, un processeur cadencéà600 Mhz effectuera 600 millions d'opérations par seconde.
La carte-mère possède un emplacement (parfois plusieurs dans le cas de cartes-mères multi-processeurs) pour accueillir le processeur. On distingue deux catégories
de supports :
- slot : il s'agit d'un connecteur rectangulaire dans lequel on enfiche le processeur verticalement
- socket : il s'agit d'un connecteur carrépossédant un grand nombre de petits connecteurs sur lequel le processeur vient directement s'enficher
Dans la mesure oùle processeur rayonne thermiquement, il est nécessaire d'en dissiper la
chaleur pour éviter que ses circuits ne fondent. C'est la raison pour laquelle il est généralement surmonté
d'un dissipateur thermique, un matériau ayant une bonne conduction thermique, chargéd'augmenter la surface d'échange thermique du microprocesseur.
Le dissipateur thermique comporte une base en contact avec le processeur et des ailettes afin d'augmenter la surface
d'échange thermique. Un ventilateur accompagne généralement le dissipateur pour améliorer la circulation de l'air
autour du dissipateur et améliorer l'échange de chaleur. C'est le ventilateur du boîtier qui est chargéd'extraire
l'air chaud du boîtier et permettre àl'air frais provenant de l'extérieur d'y entrer.
La mémoire-cache permet au processeur de se
"rappeler" les opérations déjà effectuées
auparavant. En effet, elle stocke les opérations effectuées par
le processeur, pour qu'il ne perde pas de temps à recalculer des
choses qu'il a déjà faites précédemment. La taille de la mémoire-cache est
généralement de l'ordre de 512 Ko. Sur les ordinateurs récents ce type
de mémoire est directement intégrédans le processeur.
La mémoire vive (RAM pour Random Access Memory) permet de stocker des informations pendant tout le temps de
fonctionnement de l'ordinateur, son contenu est par contre détruit dès lors que l'ordinateur est
éteint ou redémarré, contrairement à une mémoire de masse comme le disque-dur qui garde les informations m&ecric; me
lorsqu'il est hors-tension.
Pourquoi alors se servir de mémoire alors que les disques durs sont moins chers?
Car elle est extrèmement rapide comparéaux périphériques de stockage de type
disque dur (de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes: environ 70 pour la DRAM, 60 pour la RAM EDO, et 10 pour la SDRAM).
Les connecteurs d'extension (en anglais slots) sont des receptacles dans lesquels il est
possible d'enficher des cartes d'extension, c'est-à-dire des cartes offrant de nouvelles fonctionnalités
ou de meilleures performances àl'ordinateur.
Il existe plusieurs sortes de connecteurs :
- connecteur ISA (Industry Standard Architecture) : permettant de connecter des cartes ISA, les plus lentes fonctionnant en 16-bit
- connecteur VLB (Vesa Local Bus): Bus servant autrefois àconnecter des cartes graphiques
- connecteur PCI (Peripheral Component InterConnect) : permettant de connecter des cartes PCI, beaucoup plus rapides que les cartes ISA et fonctionnant en 32-bit
- connecteur AGP (Accelerated Graphic Port): un connecteur rapide pour carte graphique.
- connecteur AMR (Audio Modem Riser): ce type de connecteur permet de brancher des mini-cartes sur les PC en étant équipés
On appelle bus, le canal permettant de transférer des données entre deux éléments.
Le bus système est le canal (pistes de la carte-mère) reliant le microprocesseur àla mémoire vive
du système. Un bus est caractérisépar sa largeur, c'est-à-dire le nombre de bits
pouvant être simultanément transmis, et par sa fréquence, c'est-à-dire la cadence àlaquelle
les paquets de bits peuvent être transmis. Des caractéristiques du bus système dépendent donc les caractéristiques
générales du système. La fréquence du microprocesseur est égale àla fréquence du
bus système multipliépar un facteur. Ainsi un PC tournant à400 Mhz sera plus rapide s'il est basésur
un bus système cadencéà133 Mhz (3 x 133 Mhz) que si la carte-mère a un bus dont la fréquence
est 100 Mhz (la fréquence du processeur étant alors égale à4 x 100 Mhz).
Le processeur
Le premier microprocesseur (Intel 4004) a étéinventéen 1971.
Depuis, la puissance des microprocesseurs augmente exponentiellement. Quels sont donc ces petits morceaux
de silicium qui dirigent nos ordinateurs?
Le processeur (CPU) est le cerveau de l'ordinateur, c'est lui qui coordonne le reste des éléments,
il se charge des calculs, bref il exécuteles instructions qui ont étéprogrammées.
Toutes ces opérations sont des informations numériques.
Les microprocesseurs utilisent des petits transistors (équivalents transistors) pour faire des opérations de
base; il y en a plusieurs millions sur un seul processeur.
Les éléments principaux d'un microprocesseur sont:
- Une horloge qui rythme le processeur. A chaque TOP d'horloge le processeur effectue une instruction, ainsi plus l'horloge a
une fréquence élevée, plus le processeur effectue d'instructions par seconde (MIPS: Millions d'instruction par seconde).
Par exemple un ordinateur ayant une fréquence de 100 Mhz effectue 100 000 000 d'instructions par seconde
- Une unitéde gestion des bus qui gère les flux d'informations entrant et sortant
- Une unitéd'instruction qui lit les données arrivant, les décode puis les envoie àl'unité
d'exécution.
- Une unitéd'exécution qui accomplit les tâches que lui a donnél'unitéd'instruction.
Le processeur travaille en fait grâce àun nombre très limitéde fonctions (ET logique, Ou logique, addition ...),
celles-ci sont directement câblées sur les circuits électroniques. Il est impossible de mettre toutes les instructions sur
un processeur car celui-ci est limitépar la taille de la gravure, ainsi pour mettre plus d'instructions il faudrait un processeur
ayant une très grande surface, or le processeur est constituéde silicium et le silicium coûte cher, d'autre part il chauffe
beaucoup. Le processeur traite donc les informations compliquées àl'aide d'instructions simples.
Le parallèlisme consiste àexécuter simultanément sur des processeurs
différents des instructions relatives àun même programme. Cela se traduit par
le découpage d'un programme en plusieurs processus qui seront traités par des processeurs
différents dans le but de gagner en temps d'exécution. Cela nécessite toutefois
une communication entre les différents processus. C'est le même principe de fonctionnement
que dans une entreprise: le travail est diviséen petits processus traités par des services
différents et qui ne servent àrien si la communication entre les services ne fonctionne pas
(ce qui est généralement le cas dans les entreprises...).
Le pipelining est un principe simple àcomprendre. Un programme comporte généralement
des portions de code (plus ou moins grandes) qui sont traitées de nombreuses fois par le processeur.
Le pipelining consiste donc àéviter d'avoir àréitérer de nombreuses
fois des instructions que l'on a déjàtraitées en fournissant directement le résultat!
L'architecture CISC (Complex Instruction Set Computer, ce qui signifie "ordinateur avec jeu
d'instructions complexes") est utilisée par tous les processeurs de type x86, c'est-à-dire
les processeurs fabriqués par Intel, AMD, Cyrix, ...
Les processeurs basés sur l'architecture CISC peuvent traiter des instructions complexes, qui sont
directement câblées sur leurs circuits électroniques, c'est-à-dire que certaines
instructions difficiles àcréer àpartir des instructions de base sont directement imprimées
sur le silicium de la puce afin de gagner en rapiditéd'exécution sur ces commandes.
L'inconvénient de ce type d'architecture provient justement du fait que des fonctions supplémentaires
sont imprimées sur le silicium, d'oùun coût élevé.
D'autre part, les instructions sont de longueurs variables et peuvent parfois prendre plus d'un cycle
d'horloge ce qui les rend lentes àl'exécution étant donnéqu'un processeur basé
sur l'architecture CISC ne peut traîter qu'une instruction àla fois!
Contrairement àl'architecture CISC, un processeur utilisant la technologie RISC (Reduced
Instruction Set Computer, dont la traduction est "ordinateur àjeu d'instructions réduit") n'a
pas de fonctions supplémentaires câblées. Cela impose donc des programmes
ayant des instructions simples interprétables par le processeur. Cela se traduit par une
programmation plus difficile et un compilateur plus puissant. Cependant vous vous dîtes qu'il peut exister des instructions
qui ne peuvent pas être décrites àpartir des instructions simples...
En fait ces instructions sont tellement peu nombreuses qu'il est possible de les câbler directement sur le circuit
imprimer sans alourdir de manière dramatique leur fabrication.
L'avantage d'une telle architecture est bien évidemment le coût réduit au niveau
de la fabrication des processeurs l'utilisant. De plus, les instructions, étant simples, sont exécutées
en un cycle d'horloge, ce qui rend l'exécution des programmes plus rapides qu'avec des processeurs
basés sur une architecture CISC.
De plus, de tels processeurs sont capables de traîter plusieurs instructions simultanément en les traitant en
parallèle.
A comparer les spécificités des deux types d'architecture on pourrait conclure
que les processeurs basésur une architecture de type RISC sont les plus utilisés...
Cela n'est malheureusement pas le cas... En effet les ordinateurs construits autour d'une architecture RISC
nécessitent une quantitéde mémoire plus importante que les ordinateurs de type CISC
Un peu de théorie
Le processeur (CPU: Central Processing Unit) est un circuit électronique cadencée au rythme d'une horloge interne,
c'est-à-dire un élément qui envoie des impulsions (que l'on appelle top). A chaque top d'horloge
les éléments de l'ordinateur accomplissent une action. La vitesse de cette horloge
(le nombre de battements par secondes) s'exprime en Mégahertz, ainsi un ordinateur à200Mhz
a donc une horloge envoyant 200,000,000 de battements par seconde (un cristal de quartz soumis àun courant électrique permet
d'envoyer des impulsions àune fréquence précise).
A chaque top d'horloge (pour les instuctions simples) le processeur :
- lit l'instruction àexécuter en mémoire
- effectue l'instruction
- passe àl'instruction suivante
Le processeur est en fait constitué:
- d'une unitéde commande qui lit les instructions et les décode
- d'une unitéde traitement (UAL - unitéarithmétique et logique) qui exécuteles instructions.
Lorsque tous les éléments d'un processeur sont regroupés sur une même puce, on parle alors
de microprocesseur.
Les instructions (opération que le processeur doit accomplir) sont stockées dans la mémoire principale.
Une instruction est composée de deux champs:
- le code opération: c'est l'action que le processeur doit accomplir
- le code opérande: c'est les paramètres de l'action. Le code opérande dépend de l'opération,
cela peut être une donnée ou bien une adresse d'un emplacement mémoire
| code opération |
champ opérande |
Une instruction peut être codée sur un nombre d'octets variant de 1 à4 suivant le type de données.
Lorsque le processeur traite des donnés (lorsqu'il exécutedes instructions) le processeur
stocke temporairement les données dans de petites mémoires de
8, 16 ou 32Ko (qui ont l'avantage d'être très rapides) que l'on appelle registres.
Suivant le type de processeur le nombre de registres peut varier entre une dizaine et plusieurs centaines.
Les registres les plus importants sont:
- le registre accumulateur: il permet de stocker les résultats des opérations arithmétiques
et logiques
- le registre tampon: il permet de stocker temporairement une des opérandes
- le registre d'état: il permet de stocker les indicateurs
- le registre instruction: il contient l'instruction en cours de traitement
- le compteur ordinal: il contient l'adresse de la prochaine instruction àtraiter
- le registre tampon: il permet de stocker temporairement une donnée provenant de la mémoire
Les signaux de commande sont des signaux électriques qui permettent au processeur de communiquer avec le reste
du système (le signal Read/Write - lecture/écriture - permet notamment de signaler àla
mémoire qu'il désire lire ou écrire une information.
|
Introduction
