Technologie des ordinateurs
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SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) Technologie des ordinateurs Partie I : Architecture matérielle auteur afpa © centre JL Deluche Rochefort formation module séq/item TSGRI M1 DS2 type doc millésime 01sup. form. 12/09 - v2.0 a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) Table des Matières Avant propos :................................................................................................................................................2 Description d’ensemble .................................................................................................................................3 1 Architecture Générale........................................................................................................................3 2 Unité centrale.....................................................................................................................................3 Description et rôle des composants de base ..................................................................................................4 1 Le Microprocesseur ...........................................................................................................................4 2 La mémoire centrale ..........................................................................................................................4 3 Les interfaces .....................................................................................................................................5 4 Le Bus ................................................................................................................................................6 4.1 Schémas de principe ..................................................................................................................6 5 La carte mère .....................................................................................................................................7 6 Les mémoires auxiliaires ...................................................................................................................8 Echanges entre composants ...........................................................................................................................9 1 Gestion des interruptions ...................................................................................................................9 1.1 Principe ......................................................................................................................................9 1.2 Implantation matérielle :............................................................................................................9 1.2.1 Les PIC ..............................................................................................................................9 1.2.2 L’APIC ............................................................................................................................10 1.3 Allocation des IRQ ..................................................................................................................10 2 Gestion des échanges de données ....................................................................................................11 2.1 Adresses d'entrée/sortie ...........................................................................................................11 2.2 Mémoire partagée ....................................................................................................................12 2.3 DMA (Direct Memory Access) ...............................................................................................12 Configuration des cartes d’extension...........................................................................................................13 1 Configuration manuelle ...................................................................................................................13 2 Configuration automatique ..............................................................................................................13 auteur afpa © centre JL Deluche Rochefort formation module séq/item type doc millésime TSGRI M1 DS2 sup. form. 12/09 page 1 01a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) Avant propos : Ce support de formation présente de façon très succincte l’architecture d’un micro-ordinateur. L’objectif est de vous permettre de vous familiariser avec les principales technologies et d’acquérir un vocabulaire de base plutôt que de faire de vous des spécialistes systèmes. A certains endroits de ce document vous trouverez les symboles « » ou « ! ». Ils indiquent des documents qui permettent de compléter les informations données dans le support. L’icône « » spécifie une prise d’information facultative, « ! » une prise d’information obligatoire. Pour ces compléments vous utiliserez deux sources : 1 Le site « comment ça marche » (http://www.commentcamarche.net) vous pouvez le consulter en ligne ou installer « l’encyclopédie » sur votre PC à partir du fichier CCMnnn.exe que vous trouverez soit sur le DVD de ressources qui vous a été fourni, soit en téléchargement sur le site même de comment ça marche. auteur afpa © centre JL Deluche Rochefort formation module séq/item type doc millésime TSGRI M1 DS2 sup. form. 12/09 page 2 01a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) Description d’ensemble 1 Architecture Générale L’architecture générale d’un ordinateur peut se résumer au système suivant : Un système central chargé de traiter des informations provenant de systèmes périphériques (Dispositifs d’entrées, Mémoires auxiliaires, réseaux de communication) et transmet le résultat de ses calculs à une périphérie de sortie (Ecrans, Imprimantes, Mémoires auxiliaires, réseaux de communication, …) SYSTEME DISTANT Réseau local Réseau étendu ENTREE SORTIE Clavier, souris, scanner, lecteur optique, …. UNITE CENTRALE Ecran, imprimante, haut parleur, … MEMOIRE AUXILIAIRE Disquette, disque dur, bande, CD, DVD, Flash EPROM, NVRAM 2 Unité centrale Il ne faut pas confondre unité centrale de traitement (CPU) et unité centrale (UC). Le premier terme fait référence au microprocesseur, alors que le second, par abus de langage, désigne de nos jours le boîtier qui inclut la plupart des éléments internes -processeurs, mémoire centrale, bus, interfaces- regroupés sur la «carte mère» ainsi que l’alimentation et les supports de mémoire de masse internes (disques durs, lecteurs de disquettes, de CD et DVD). Disque dur Interface 2 Contrôleur disque Interface 1 Contrôleur video Interface 2 Contrôleur audio Interface n Contrôleur z BUS Microprocesseur auteur afpa © centre JL Deluche Rochefort Mémoire Centrale formation module séq/item TSGRI M1 DS2 type doc millésime page 3 01sup. form. 12/09 - v2.0 a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) Description et rôle des composants de base 1 Le Microprocesseur Le Microprocesseur traite la majorité des opérations requises par l’ordinateur en exécutant les instructions, en envoyant des signaux, en vérifiant la connectivité et en s'assurant que les opérations et le matériel fonctionnent parfaitement. Le processeur agit en tant que messager pour les composants tels que la RAM, le moniteur et les lecteurs de disque. Le microprocesseur est connecté au reste du système informatique via le bus système (le FSB1). Les types de bus sont présentés en détail plus loin dans ce module. Les caractéristiques principales d’un microprocesseur sont le jeu d’instructions qu’il peut exécuter, le nombre de bits qu’il peut traiter en simultané (les processeurs actuels peuvent traiter des nombres de 64 bits en une seule opération), sa vitesse d’horloge, la taille de sa mémoire cache, son architecture (1, 2, 4 cœurs,…), etc. CommentCaMarche ordinateur processeur 2 La mémoire centrale La mémoire centrale constitue une zone de stockage pour les programmes et les données. Elle se situe communément sur la carte mère de l'ordinateur et elle est en réalité composée de deux types de mémoire: La mémoire vive (RAM2) représente la mémoire de travail de l’UC car elle est rapide (temps d’accès de l’ordre de 10 nanosecondes) et accessible en lecture et en écriture. Cependant son contenu est volatile (c'est à dire qu'il est perdu dès que l’UC n’est plus alimentée). La mémoire morte (ROM3) est généralement utilisée pour stocker les programmes et les données nécessaires au démarrage de l’ordinateur (BIOS, SETUP, …). Celle-ci n’est accessible qu'en lecture et conserve ses données de façon permanente. En réalité il existe plusieurs types de mémoires mortes : La PROM : Mémoire morte programmable. Une fois programmé son contenu ne peut plus être modifié. L’EPROM : Mémoire morte programmable électriquement et effaçable par ultraviolets. On peut la reprogrammer après un effacement complet. L’EEPROM : Mémoire morte programmable électriquement et effaçable électriquement. On peut la reprogrammer après un effacement complet. La Flash EPROM ; Mémoire ROM programmable et effaçable électriquement, très rapidement. CommentCaMarche ordinateur mémoire 1 FSB : Front Side Bus Random Access Memory : Mémoire à accès directe 3 Read Only Memory : auteur formation Mémoire encentre lecture seule 2 afpa © JL Deluche Rochefort TSGRI module séq/item M1 DS2 type doc millésime page 4 01sup. form. 12/09 - v2.0 a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) 3 Les interfaces On peut parler d’interface, de contrôleur, de port de communication, de carte d’extension ou d’adaptateur. De façon générale une interface est un élément de communication entre deux parties. Ici on ne considèrera que les éléments qui permettent au processeur de dialoguer avec les périphériques. Une interface joue un rôle : D’adaptation matérielle : niveau de tension, fourniture de courant électrique, mise en forme des signaux,... Et d'adaptation fonctionnelle : type de données (octet, mot, bloc,...), vitesse de transfert (débit), gestion des protocoles d'échange (ajout et reconnaissance d'informations de service). Certaines interfaces sont présentes en standard dans l'ordinateur d'origine, par exemple le contrôleur disque, les ports de communication série (RS232) et parallèles (Centronics), les interfaces PS2, USB... D’autres viennent s’enficher sur des connecteurs (slots) du bus prévus à cet effet. Une carte est conçue pour un type de bus (ISA, EISA, MCA, VLB, PCI, AGP, PCI Express) qui donne la forme et la taille des connecteurs (8, 16 bits, 32 ou 64 bits). De nos jours on ne trouve plus que des bus PCI ou AGP qui sont d’ailleurs remplacés petit à petit par « PCI express ». Exemples d’interfaces Contrôleur vidéo sur connecteur AGP Contrôleur vidéo sur connecteur PCI Express Carte AUDIO sur connecteur PCI Carte Ethernet sur connecteur PCI auteur afpa © centre JL Deluche Rochefort formation module séq/item TSGRI M1 DS2 type doc millésime page 5 01sup. form. 12/09 - v2.0 a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) 4 Le Bus Le bus assure la circulation des données entre les différents éléments du PC (mémoire vive, carte graphique, USB, etc...). On caractérise un bus par sa fréquence (cadence de transmission des bits) et sa largeur (nombre de bits pouvant être transmis simultanément). Un bus est à la fois : Un jeu de fils permettant le dialogue entre l'ensemble des composants (processeur, mémoire, interfaces ...) de l'ordinateur. Des circuits de contrôle implémentant un ensemble de protocoles de communication régissant les échanges (gestion DMA, interruptions, horloge, rafraîchissement RAM, arbitrage du bus,...). Et pour certains bus (bus d'extension), des connecteurs permettant d'intégrer des cartes d'extension (c'est la partie la plus visible du bus). Il existe différents types de bus : Bus système (ou bus du processeur) appelé aussi FSB pour Front Side Bus: bus central, autour duquel est construit un ordinateur. Il véhicule les informations entre le processeur et les divers composants de la carte mère. Bus local processeur (bus mémoire) : assurant à l’origine la circulation des données entre le processeur et la RAM. Aujourd’hui, ce type de bus sert de bus d’extension pour les périphériques rapides. Bus d'Entrées/Sorties (ou bus d'extension) : interface standardisée d'entrées/sorties permettant de connecter des cartes d'extension dans les slots prévus à cet effet et gérant les échanges entre le processeur et les périphériques. Les composants chargés de gérer l’échange d’informations entre les différents bus sont intégrés au sein de puces électroniques appelées « chipset 4». Sur les PC actuels on distingue dans le chipset deux parties: Le Northbridge5 qui est chargé de contrôler les échanges sur le bus système et le bus local processeur. Le Southbridge6 qui gère les communications sur le bus d'entrées-sorties. Il intègre aussi certaines interfaces telles que les contrôleurs USB et les contrôleurs disques … 4.1 Schémas de principe BUS PCI + AGP BUS PCI + PCI EXPRESS 4 Chipset signifie littéralement « jeu de composants » Pont nord. Appelé ainsi car il se situe au plus prés du processeur. 6 Pont sud. auteur centre formation module 5 afpa © JL Deluche Rochefort TSGRI M1 séq/item DS2 type doc millésime page 6 01sup. form. 12/09 - v2.0 a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) 5 La carte mère Les composants vus précédemment -Microprocesseur, mémoire centrale, bus, interfaces- sont regroupés sur la carte mère (mother board, carte système). C’est une grande carte électronique servant de support à la plupart des principaux composants de l'ordinateur : Processeur et horloge Mémoire (RAM, ROM, cache processeur, CMOS de configuration avec sa pile) Différents contrôleurs (DMA, interruptions, bus, ...) Différentes interfaces (ports parallèle, série, USB, PS2, réseau,...) Contrôleur vidéo (dans certains cas) et audio Contrôleur de disques (ATA, SATA) et disquettes Chipset (ensemble de circuits assurant la coordination entre RAM, cache, bus et processeur, bus d’entrées/sorties). Cette carte mère comprend des emplacements pour les extensions mémoire et processeur, ainsi qu’un bus offrant des connecteurs destinés à accueillir des cartes d’extension. 1. Support du microprocesseur 2. Supports pour mémoire vive 3. Chipset 1 (North Bridge) 4. Chipset 2 (South Bridge) 5. ROM BIOS 6. Connecteur lecteur disquettes 7. Connecteur Disques durs (IDE/ATA) 8. Connecteur AGP pour contrôleur vidéo 9. Connecteurs PCI pour cartes d’extensions 10. Port série RS232 11. Port USB 12. Connecteur RJ45 pour réseau Ethernet 13. Port Parallèle auteur afpa © centre JL Deluche Rochefort formation module séq/item TSGRI M1 DS2 type doc millésime page 7 01sup. form. 12/09 - v2.0 a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) 6 Les mémoires auxiliaires Les mémoires auxiliaires sont des mémoires non volatiles utilisées pour stocker des informations à des fins d’archivage, de transfert, d’échange ou de mise à disposition permanente. Lorsque le dispositif utilisé permet d’enregistrer un grand volume d’informations on parle alors de mémoires de masse. Ces mémoires auxiliaires peuvent être fixes ou amovibles, magnétiques (disques durs, disquettes, bandes magnétiques), optiques (CD, DVD, …) ou électroniques (Mémoires flash, NVRAM...). Contrairement à la mémoire centrale, les mémoires de masses permettent de stocker les informations sous forme de fichiers7 et doivent être préparées par une opération de formatage avant de pouvoir être utilisées. La vitesse d’enregistrement ou de lecture d’information d’une mémoire auxiliaire est relativement lente comparée aux vitesses de la mémoire vive : 3200 Mo/s pour une SDRAM8 DDR9 PC3200 20 à 100 Mo/s pour un disque dur 5 à 30 Mo/s pour une clé USB 0,5 à 40 Mo/s pour une bande magnétique (très variable selon la technologie) ! CommentCaMarche ordinateur disque 7 Fichier = ensemble structuré de données tel un texte constitué d’un ensemble de caractères codés sous forme d’octets. SDRAM= Synchronous Dynamic Random Access Memory 9 DDR=Double Data Rate auteur centre formation module séq/item type doc millésime page 8 01JL Deluche Rochefort TSGRI M1 DS2 sup. form. 12/09 v2.0 a(ArchitectMat).D © oc 8 afpa SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) Echanges entre composants 1 Gestion des interruptions 1.1 Principe Sur les premiers ordinateurs ou sur les systèmes industriels type « automate programmable » le processeur interroge en permanence les interfaces. Avec cette technique appelée « polling » ou scrutation, le processeur passe la majeure partie de son temps à demander séquentiellement aux périphériques s'ils ont besoin de ses services. Ce mécanisme peu performant, a été remplacé par le système des interruptions. Avec cette technique une interface prévient directement le processeur, au moyen de l’interruption (IRQ10) qui lui a été allouée, dés qu’elle a besoin de ses services. Le processeur, selon les niveaux de priorité de l’interruption et du programme en cours d’exécution, suspend provisoirement ce qu’il est en train de faire afin d’exécuter le programme correspondant à l'interruption. Lorsque l'exécution du programme d’interruption est terminée, le processeur reprend ce qu’il était en train de faire. Exemple : Programme de gestion de la souris Programme de gestion du clavier Action : IRQ 1 clavier 1.2 Implantation matérielle : Mouvement : IRQ 12 souris Programme n 1.2.1 Les PIC Il y a quelques années nous pouvions encore trouver sur nos cartes mères deux composants qui géraient les interruptions : les PICs ("Programmable Interrupt Controler"). Maintenant ils sont intégrés au sein du "Chipset" mais le principe reste exactement le même. Il y a 2 PICs, sachant chacun gérer 8 interruptions hardware. Le premier gère les IRQ de 0 à 7, le second de 8 à 15. (Voir figure ci-dessous). 10 auteur IRQ= Interrupt ReQuest afpa © centre JL Deluche Rochefort formation module séq/item TSGRI M1 DS2 type doc millésime page 9 01sup. form. 12/09 - v2.0 a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) 1.2.2 L’APIC Sur les configurations actuelles le chipset intègre, en plus du PIC standard, un APIC ("Advanced Programmable Interrupt Controler"). Il est présent sur toutes les machines multiprocesseurs et sur les nouvelles générations de PC compatibles Windows XP. Désormais l'APIC permet de traiter jusqu'à 256 requêtes d'interruption différentes, les 16 premières étant équivalentes aux 16 IRQ gérée par le PIC encore faut-il que le BIOS et le système d’exploitation sachent le gérer. 1.3 Allocation des IRQ Sur un PC standard certaines IRQ sont allouées automatiquement par le système. La figure suivante montre ces attributions classées par ordre de priorité (celui-ci est lié au câblage même des PIC). Pic Maître IRQ 0 IRQ 1 IRQ 2 Pic esclave IRQ 8 IRQ 9 IRQ 10 IRQ 11 IRQ 12 IRQ 13 IRQ 14 IRQ 15 IRQ 3 IRQ 4 IRQ 5 IRQ 6 IRQ 7 = System Timer = Clavier = chaînage PIC esclave = Real Time Clock (horloge temps réel) = "disponible" = "disponible" = "disponible" = Souris PS/2 = Coprocesseur arithmétique = Canal IDE primaire (pour les disques durs – 2 maximum) = Canal IDE secondaire (pour les CD-ROM et graveurs – 2 maximum) = COM2 (second port série) = COM1 (premier port série) = "disponible" = Lecteur de disquettes (2 maximum) = LPT1 (le port parallèle) On peut observer qu’il ne reste 4 interruptions disponibles (9, 10, 11 et 5) Sur un ancien PC équipé d’un bus ISA on aurait seulement pu connecter 4 interfaces supplémentaires (ex : un contrôleur vidéo, une carte son, une carte réseau et une carte SCSI). Sur les PC actuels cette limitation de ressources n’est pratiquement plus possible, car soit l’ordinateur est équipé d’un APIC et d’un OS qui peut le gérer (dans ce cas on dispose de 256 IRQ), soit on est équipé de périphériques sur bus PCI et d’un système d’exploitation qui gèrent le partage des IRQs (tous les Windows à partir de Win 95 SR2 à l’exception de Windows NT). Dans ce dernier cas une même interruption peut-être utilisée pour plusieurs périphériques. La figure suivante montre pour exemple une liste des IRQ affectées sur ordinateur portable. On peut y voir que l’IRQ 5 est partagée entre la carte réseau sans fils, le modem et la carte son. auteur afpa © centre JL Deluche Rochefort formation module séq/item TSGRI M1 DS2 type doc millésime page 10 01sup. form. 12/09 - v2.0 a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) 2 Gestion des échanges de données L’échange de données entre les interfaces et le processeur ce fait au moyen d’emplacements mémoire. Il existe trois techniques pour gérer ces échanges : Les adresses d’entrée/sorties, la mémoire partagée ou l’accès direct à la mémoire. 2.1 Adresses d'entrée/sortie Ici le système utilise un espace d'adressage séparé de celui de la mémoire centrale : les registres d’entrée/sorties intégrés aux interfaces. Le port d'entrée/sortie (circuit électronique gérant l'entrée/sortie) doit alors disposer d'adresses permettant au processeur de communiquer avec le périphérique (connaître l'état de l'imprimante, autoriser certaines interruptions,...). Parfois on utilise le terme « adresse de base ». Il s’agit alors de l’adresse du premier registre d’E/S mais l’interface peut en occuper plusieurs qui se suivent. Sur un PC, chaque port d'entrée/sortie dispose d'une adresse unique (espace d'adressage de 0000 à FFFF). La figure suivante montre une partie des ports d’E/S utilisés sur une station XP. auteur afpa © centre JL Deluche Rochefort formation module séq/item TSGRI M1 DS2 type doc millésime page 11 01sup. form. 12/09 - v2.0 a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) 2.2 Mémoire partagée Une deuxième technique d'adressage mémoire des interfaces est d'utiliser la même plage d'adresses que la mémoire centrale. Le transfert de données passe par un buffer de la carte qui est vu comme une partie de la RAM (aucun transfert n'est nécessaire, puisque les informations sont stockées dans la mémoire directement accessible par le processeur). Comme pour les registres d’entrée/sorties, ce type de transfert s'effectue sous le contrôle du processeur, mais avec les instructions de lecture/écriture mémoire. Plages de mémoires partagées sur une station XP 2.3 DMA (Direct Memory Access) Avec cette technique, les périphériques rattachés au bus transfèrent les données directement vers la mémoire en utilisant le contrôleur DMA et non le processeur. L'activité du processeur est suspendue jusqu'à la fin du transfert (pendant le transfert, le processeur n'a pas à sauvegarder son travail, mais il ne peut pas travailler non plus). Fonctionnement : le périphérique prévient le contrôleur DMA qu'il veut accéder au bus (par exemple, une carte réseau reçoit un bloc de données). Le contrôleur transmet la demande au processeur (signal HOLD). Dès la fin de l'exécution en cours, le processeur se met en état d'attente (signal WAIT) et donne le feu vert au contrôleur. Le contrôleur prévient le périphérique que le transfert peut avoir lieu. Dès la fin du transfert, le périphérique met fin à la requête DMA, et le contrôleur redonne la main au processeur qui reprend son travail. auteur afpa © centre JL Deluche Rochefort Canaux DMA sur une station Windows 2000 formation module séq/item TSGRI M1 DS2 type doc millésime page 12 01sup. form. 12/09 - v2.0 a(ArchitectMat).D oc SUPPORT DE FORMATION : Technologie des ordinateurs (matériel) Configuration des cartes d’extension Dans le chapitre précédent on vous a exposé quelques un des mécanismes utilisés pour permettre aux périphériques de communiquer avec le système. Ces mécanismes utilisent des ressources qui doivent être allouées aux interfaces. Il est donc nécessaire de configurer le système pour indiquer quelle carte utilise quelle ressource. Hors celles qui sont partagées, une même ressource ne doit être affectée qu’à une seule interface sinon il y a des risques de conflit et les périphériques concernés risquent de ne plus pouvoir fonctionner. Dans les figures suivantes vous pouvez voir les ressources attribuées respectivement à un modem et à une carte réseau: 1 Configuration manuelle Sur les anciens PC ou sur les anciennes cartes d'extension le paramétrage se faisait manuellement au moyen de cavaliers (jumpers) et/ou de switches (interrupteurs, commutateurs dip) directement sur la carte. Sur certains modèles il était aussi possible d’utiliser des logiciels de configuration permettant d’écrire les paramètres sélectionnés dans l'EEPROM de la carte. 2 Configuration automatique "PnP" Plug and Play ("branchez, et ça marche !") Le standard PnP permet aujourd’hui d'installer et de configurer automatiquement des cartes d'extension dans un PC. Le technicien n’a plus besoin d’intervenir sur l’attribution des ressources, c’est le système qui s’en charge. De plus cette norme apporte une grande souplesse dans l'utilisation des périphériques, en effet, elle permet les reconfigurations à chaud ce qui est très pratique lorsqu’on utilise des périphériques « hot plug11 » tels que les cartes PCMCIA ou des périphériques USB. 11 auteur Hot plug = enfichables à chaud centre afpa © JL Deluche Rochefort formation module séq/item TSGRI M1 DS2 type doc millésime page 13 01sup. form. 12/09 - v2.0 a(ArchitectMat).D oc
