LES PRINCIPAUX BUS

LES PRINCIPAUX BUS
DEFINITIONS
Les différents composants d'un ordinateur sont interconnectés par des systèmes de câblage
assurant la transmission des signaux nécessaires à son fonctionnement. Comme il n'est guère
envisageable de relier chaque unité à toutes les autres de l'ordinateur, on fait appel à des lignes
exploitées en commun par tous les dispositifs qui y sont rattachés ; on appelle bus ces
ensembles de câbles par analogie avec les transports urbains du même nom.
Un bus peut être utilisé par toutes les unités qui y sont connectées, mais jamais par plus de
deux d'entre elles en même temps ; cela pose donc des problèmes d'attente et d'arbitrage de
requêtes d'utilisation. Un circuit spécial, appelé contrôleur de bus, est chargé à cet effet
d'organiser l'ensemble des accès et d'éviter les conflits qui pourraient survenir au sein de
l'ordinateur.
Un bus est capable de véhiculer des signaux correspondant fondamentalement à trois types
d'informations : adresses (qui identifient l'emplacement d'un périphérique ou d'une donnée en
mémoire), données et commandes (telles que par exemple les signaux d'horloge de
synchronisation).
Un bus est enfin caractérisé par le nombre et la disposition de ses lignes ainsi que par sa
fréquence de fonctionnement exprimée en mégahertz (MHz) : un bus qui comporte par exemple
16 lignes parallèles est un bus 16 bits, ce qui signifie que chacune des lignes est à même de
transporter 1 bit à la fois. La fréquence de fonctionnement de ce bus permet de calculer sa
bande passante, c'est à dire le débit d'informations qu'il peut véhiculer dans un même laps de
temps. Si notre bus 16 bits évolue à une fréquence de 8 MHz (rappel : 1 Hertz = 1 impulsion/s),
on peut estimer sa bande passante théorique maximale à : 8 x 16 = 128 Mbit/s, soit 128/8 = 16
Mo/s.
LES PRINCIPAUX BUS D'UN ORDINATEUR
Le bus processeur constitue le canal de communication entre le processeur central, les
puces complémentaires qui lui sont associées (habituellement réunies sous l'appellation
chipset) et la mémoire cache externe. Le rôle de ce bus est de transférer des signaux de et vers
le processeur à une rapidité maximale, c'est pourquoi il est beaucoup plus véloce que les autres
bus du système.
Le bus mémoire assure le transfert des données entre le processeur et la mémoire
principale (RAM). Le taux de transfert des informations qui transitent par le bus mémoire est
bien inférieur à celui des informations véhiculées par le bus processeur, ce qui nécessite la
mise en place d'un contrôleur mémoire chargé de vérifier l'interface entre le bus processeur le
plus rapide et la RAM la plus lente. Notons que l'interface du bus mémoire principal est toujours
identique à celle du bus processeur : ainsi, sur un système équipé d'un processeur 64 bits (type
Pentium), le bus mémoire est également de 64 bits ; ce nombre désigne la taille d'un bloc-
mémoire. Si vous utilisez un processeur Pentium 64 bits, chaque bloc-mémoire ajouté à la RAM
lors de toute opération doit nécessairement être de 64 bits. D'où certaines contraintes lorsque
vous installez des barrettes de mémoire vive dans votre ordinateur en fonction de leurs
caractéristiques : SIMM 32 bits, DIMM 64 bits, etc.).
Le bus d'adresses et le bus de commandes sont en fait des sous-ensembles des bus
processeur et bus mémoire. Ces derniers sont constitués de différentes lignes spécialisées,
certaines d'entre elles chargées de véhiculer des adresses, d'autres des données ou des
commandes ; les lignes d'adresses constituent le bus d'adresses, les lignes de commandes
déterminent le bus de commandes (le bus processeur d'un Pentium est par exemple formé de
32 lignes d'adresses, 64 lignes de données et quelques lignes de contrôles) :
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Le bus d'adresses indique l'adresse mémoire ou l'adresse d'un autre bus utilisée lors d'un
transfert de données au sein de l'ordinateur. La largeur du bus d'adresses conditionne
également la quantité maximale de RAM que peut adresser le processeur (un bus d'adresses
d'une largeur de 16 bits permet ainsi au processeur d'adresser 2^16 = 65536 adresses en
mémoire).
Le bus de commandes véhicule tous les signaux utilisés pour synchroniser les différentes
activités qui se déroulent dans les unités fonctionnelles de l'ordinateur : signaux d'horloge,
signaux de lectures/écritures, signaux d'interruptions, etc.
Le bus de données (ou bus d'entrées/sorties) assure la transmission des données à traiter
entre les différents éléments de l'ordinateur ; à ce titre, il est tout comme les bus d'adresses et
de commandes un sous-ensemble des bus processeur et mémoire (rappelez-vous les 64 lignes
de données du bus processeur du Pentium). Le bus d'E/S permet non seulement aux
composants figurant sur la carte mère de communiquer des données entre eux, mais
également d'ajouter des périphériques supplémentaires à l'aide de cartes d'extension ; à cet
effet, le bus d'E/S est caractérisé par un certain nombre de connecteurs (ou slots).
L'extension de la capacité d'un ordinateur grâce à l'ajout de périphériques est primordiale car
les systèmes de base sont incapables de satisfaire toutes les attentes des utilisateurs : des
composants indispensables peuvent alors être rattachés aux connecteurs du bus d'E/S, tels
que cartes graphiques, cartes sonores, cartes d'interface réseau ou encore adaptateurs SCSI.
Schéma fonctionnel des bus d'un système informatique traditionnel
LES PREMIERS BUS D'ENTREES-SORTIES
Le bus est un élément fondamental de l'architecture d'un ordinateur. Si vous possédez une
configuration dotée d'un processeur ultra-rapide et de périphériques très performants mais d'un
système de bus tournant au ralenti, vos composants ne pourront donner le meilleur de leurs
performances. Ceci explique que depuis le premier PC, de nombreux bus d'E/S ont vu le jour
successivement, avec une raison simple : le besoin croissant de performances toujours plus
importantes des ordinateurs, lié à l'apparition de processeurs plus rapides, de logiciels plus
exigeants et de besoins multimédias grandissants.
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Le bus ISA (Industry Standard Architecture) : c'est à l'origine le bus 8 bits qui équipait le
premier PC d'IBM en 1981 ; il a ensuite été étendu à 16 bits pour l'IBM PC/AT de 1984. La toute
première version du bus ISA fonctionnait à 4,77 MHz, mais l'extension à 16 bits a été suivie
d'une élévation de la fréquence de fonctionnement du bus ISA à 6 puis 8 MHz. Par la suite,
l'industrie dans son ensemble a choisi une vitesse standard de 8,33 MHz pour toutes les
versions du bus ISA (8 et 16 bits).
Le bus ISA a pendant longtemps constitué la base du micro-ordinateur personnel et correspond
à la première architecture utilisée dans la grande majorité des systèmes PC jusqu'à la fin des
années 1990, date à laquelle le bus ISA a peu à peu été remplacé en standard par le bus PCI.
En 1993, Intel et Microsoft ont entrepris de modifier les spécifications du bus ISA pour aboutir à
la nouvelle norme ISA Plug & Play : avec cette version, le système d'exploitation est en mesure
de configurer automatiquement les périphériques nouvellement connectés sans que l'utilisateur
doive ajuster manuellement ces paramètres au moyen de cavaliers (jumpers) ou d'interrupteurs
sur le périphérique concerné.
Il peut paraître étrange qu'un système aussi ancien ait été utilisé pendant plus de 20 ans, mais
cela s'explique par des facteurs de fiabilité, de disponibilité et de compatibilité du bus ISA. S'il
est indéniable qu'il est lent (8 Mo/s max.), le bus ISA est toujours plus rapide que bon nombre
de périphériques modernes tels que des cartes son ou des modems ; en revanche, il est
aujourd'hui complètement obsolète lorsqu'il s'agit de connecter des périphériques à haut débit
tels que des adaptateurs graphiques 2D/3D ou des disques durs.
Connecteur d'extension du bus ISA 16 bits
Le bus MCA (Micro Channel Architecture) : l'avènement des processeurs 32 bits (avec le
386 d'Intel en 1985) a rendu le bus ISA inapte à gérer la puissance de cette nouvelle génération
de puces : quand un 386DX était capable de transférer 32 bits de données simultanément, le
bus ISA ralentissait considérablement les opérations car limité à 16 bits. C'est pourquoi en
1987, IBM a tenté d'imposer un nouveau standard : le bus MCA, supérieur en tous points au
bus ISA.
Le bus MCA est un bus 32 bits, fonctionnant à 10 MHz, qui offre une grande facilité de
configuration des périphériques connectés, sans cavaliers ni micro-interrupteurs. Mieux encore,
il supporte également le bus mastering, c'est à dire la prise de contrôle du bus par n'importe
quel périphérique qui y est connecté pour transférer des informations vers un autre composant,
sans nécessiter l'intervention du processeur central, ce qui décharge celui d'autant de travail et
lui laisse le loisir de s'occuper d'autre chose.
Comme contrepartie, le bus MCA est parfaitement incompatible avec le standard ISA si bien
que les nombreuses cartes d'extension conçues pour le bus ISA ne fonctionnent pas sur les
systèmes MCA. Pour finir, IBM exigeait des royalties de la part des utilisateurs du nouveau
modèle, ce qui a entraîné le rejet du bus MCA par l'ensemble de l'industrie et le développement
du bus concurrent EISA.
Le bus EISA (Extended Industry Standard Architecture) : il est apparu en septembre 1988
comme une réponse à l'introduction du bus MCA par IBM et la manière dont il comptait s'en
servir. A l'origine du bus EISA on trouve neuf constructeurs compétiteurs d'IBM : AST
Research, Compaq, Epson, Hewlett-Packard, NEC, Olivetti, Tandy, WYSE et Zenith Data
System.
Le bus EISA est un bus 32 bits tout comme le MCA d'IBM, évoluant à 8,33 MHz et compatible
avec le standard ISA : il ajoute 90 nouvelles connexions à un connecteur classique ISA sans
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pour autant en modifier l'aspect ; dans ces conditions, les cartes ISA peuvent encore être
utilisées avec des connecteurs d'extension EISA. Ce nouveau format utilise par ailleurs un
système logiciel analogue à celui du bus MCA pour automatiser la configuration des cartes
d'extension sans faire appel à des jeux de cavaliers ou d'interrupteurs. Fait nouveau, le bus
EISA intègre pour la première fois la possibilité de partage d'une IRQ par plusieurs
périphériques.
LES BUS LOCAUX
Les bus d'E/S présentés jusqu'ici ont un point commun : ils sont relativement lents. Cette
vitesse restreinte est un héritage des premiers PC dans lesquels bus processeur et bus d'E/S
partageaient la même fréquence d'horloge de 8 MHz. Les premiers problèmes ont réellement
fait leur apparition au début des années 1990 avec le succès des interfaces graphiques telles
que Windows : celles-ci nécessitent le traitement d'un si grand nombre de données vidéo que le
bus d'E/S est devenu le goulet d'étranglement le plus important des systèmes informatiques -
Quel intérêt de posséder un microprocesseur cadencé à 66 MHz si le taux de transfert des
données sur le bus d'E/S ne peut excéder 8 MHz ?
La solution à ce dilemme a été trouvée en déplaçant certains connecteurs d'extension du bus
d'E/S à un endroit où ils pourraient bénéficier de la vitesse élevée du bus processeur, un peu à
la manière de la mémoire cache externe. C'est cette architecture qui porte le nom de bus local
(local bus).
Le bus local VESA (VESA local bus ou VLB) : pour améliorer les performances vidéo des
systèmes informatiques, le bus local VESA a été mis au point en août 1992 par le comité VESA
(Video Electronics Standards Association), une association à but non lucratif créée par la
société NEC. L'idée de base du VL-Bus était de relier directement les broches du processeur en
vogue à l'époque (l'Intel 486) et de les enficher dans un support de connecteur d'extension ; le
résultat consiste en une architecture bon marché, aucun chipset ou puce de contrôle
supplémentaire n'étant nécessaire.
Emplacement du bus VLB dans un système informatique
Le bus VESA est un bus 32 bits pouvant théoriquement évoluer à la fréquence maximale de 66
MHz. En réalité, les caractéristiques électriques de son connecteur limitent la fréquence
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d'exécution à 40 ou 50 MHz et, en pratique, il s'est avéré que l'utilisation d'un VL-Bus à une
vitesse supérieure à 33 MHz est susceptible d'engendrer de nombreux problèmes. Par
conséquent, 33 MHz est devenu la vitesse maximale acceptable pour ce bus. Par ailleurs, la
structure du VL-Bus tel qu'elle a été conçue au départ le rend indissociable du bus processeur
du 486. Bien que le VL-Bus puisse être adapté sur d'autres processeurs (y compris le 386 ou le
Pentium), la compatibilité reste difficile à atteindre et c'est en liaison avec un 486 que le VL-Bus
offre les meilleures performances.
Physiquement, le bus VESA est une extension des slots utilisés pour le système de base de
l'ordinateur : sur une configuration à base de bus ISA, par exemple, le VL-Bus se retrouve sous
la forme d'une extension des connecteurs ISA 16 bits existants.
Connecteur d'extension du bus VLB
Le bus PCI (Peripheral Component Interconnect) : il a été mis au point par Intel et quelques
autres leaders de l'industrie informatique au début de l'année 1992. En réalité, le bus PCI n'est
pas un véritable bus local : il occupe un niveau intermédiaire situé entre les bus locaux
fondamentaux (bus processeur et bus mémoire) et le bus d'E/S standard ; le bus PCI rajoute en
quelque sorte une nouvelle couche à la configuration classique du système, comme indiqué sur
le schéma suivant :
Schéma conceptuel du bus PCI
La largeur du bus PCI est fixée à 32 bits et sa fréquence de fonctionnement à 33 MHz, même si
la désignation pour un bus PCI de 64 bits et 66 MHz existe déjà (ces nouvelles spécifications
seront certainement introduites par défaut lorsque se justifiera le coût des modifications du bus
PCI pour augmenter sa bande passante). Par rapport au bus VESA, le bus PCI présente les
caractéristique suivantes :
Tout comme le VL-Bus, le bus PCI supporte le bus mastering. Par ailleurs, alors que la
fréquence du VL-Bus est intimement liée à celle du processeur, celle du bus PCI en est
indépendante.
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