Les bus et signaux

Les bus et signaux
Le Bus
Le bus est un câble de n lignes qui permet de faire passer des données du processeur à la mémoire et vice-versa.
Il constitue une sorte d'autoroute qui traverse le PC, réglementée par le processeur. C'est une voie
d'interconnexion et d'échanges permettant le transfert de données entre les éléments internes d'un ordinateur, le
processeur et la mémoire centrale. Le bus permet de véhiculer tous les signaux entre l'Unité Centrale et les
périphériques. On peut le décomposer en trois grands groupes principaux.
Le bus de données qui sert à transporter l'information proprement dite et qui est constitué, pour les processeurs
les plus récents, de 32 voir 64 lignes parallèles.
Le bus d'adresse qui permet de désigner le composant auquel on s'adresse et d'identifier la case mémoire
concernée par l'opération en cours (lecture ou écriture). Est lui aussi de 32 ou 64 lignes parallèles.
Le bus de commande qui détermine le type d'opération a effectuer (lecture, écriture, sélection du composant,
etc.) et quel composant est autorisé à s'exprimer sur le bus a un instant donné.
Il existe plusieurs types de bus et de contrôleurs de bus, certains sont ancien et n'existent plus.
- Bus ISA (Industry Standard Architecture) : C'est le bus originel du PC qui se décline en version 8 bits ou 16 bits.
Il permet au maximum un transfert de 8 Mégabits par seconde soit 1Mo/s ce qui est parfois suffisant pour certains
périphériques comme les cartes réseaux. C'est l'architecture du bus du PC/AT.
- Bus LOCAL : Pour améliorer la vitesse des échanges entre le processeur et la mémoire, la solution adoptée
consiste à installer un bus local entre ces deux éléments. Ce bus fonctionne à la vitesse du microprocesseur sans
nécessiter une électronique coûteuse, en raison de sa faible longueur et du fait qu'aucun autre périphérique n'y est
relié. La grande majorité des PC vendus aujourd'hui possèdent un bus local de ce type.
- Bus VESA (VL-BUS) : La présence d'un bus local donna rapidement aux constructeurs l'envie de l'utiliser pour les
périphériques demandant une grande vitesse de transfert. Il s'agit en premier lieu de l'affichage, dont les besoins
croissent dans des proportions énormes avec l'adoption des interfaces graphiques telles que Windows et, dans une
moindre mesure, des disques durs et des cartes réseau. Dans le cas d'un disque dur par exemple, il ne sert à rien
de communiquer à une vitesse supérieure à celle du disque. Cependant, le problème peut être contourné en
installant sur la carte d'interface du disque une quantité de mémoire servant de tampon. L'échange de données
peut ainsi se faire à une vitesse maximale entre le processeur et le tampon, l'électronique de la carte se chargeant
ensuite d'envoyer le contenu du tampon sur le disque pendant que le processeur fait autre chose. Un certain
nombre de constructeurs ont développé leur propre bus local, incompatible avec les produits de marque différente.
En revanche, certains se sont associés pour créer le standard VLSA (Video Electronic Association) qui avait pour
objet initial de permettre l'installation d'une carte d'affichage sur le bus local.
- Bus EISA (Extended Industry Standard Architecture) : C'est une évolution du bus ISA qui permet la
reconnaissance automatique des périphériques connectés à ce bus.
- Bus VLB (VL-Bus) : C'est un bus 32 bits qui permet la technique du “bus mastering”. Il nécessite 2 cycles
d'horloge pour transférer un mot de 32 bits à 33 Mhz dont le débit peut varier de 66Mo/s à 105 Mo/s en mode
rafale. Le VL-Bus 2 quant à lui est un bus 64 bits fonctionnant à 50 Mhz et autorisant un taux de tranfert de 320
Mo/s.
- Bus PCI (Peripheral Component Interconnect) : Inventé par Intel le 22 juin 1992, c'est un bus de 32 ou 64 bits
(connecteurs de 124 ou 188 broches), indépendant séparé du CPU et qui est contrôlé par ce que l'on appelle le
“chipset” (c'est un microprocesseur). Contrairement au bus VLB il ne s'agit pas vraiment d'un bus local mais d'un
bus intermédiaire situé entre le bus processeur (NorthBridge) et le bus d'entrées-sorties (SouthBridge) ; voir
schéma simplifié. Il y a eu beaucoup d'évolution du bus PCI au niveau des fréquences, voir tableau ci dessous. Le
voltage est de 3.3V sur les ordinateurs portables et 5V pour les fixes.

Norme Date Fréquence Largeur
PCI 1.0 1992 33 MHz 32 bits : 133 Mo/s
64 bits : 266 Mo/s
PCI 2.0 1993 33 MHz 32 bits : 132 Mo/s
64 bits : 264 Mo/s
PCI 2.1: 1995 33 / 66 MHz 32 bits : 132 / 264 Mo/s
64 bits : 264 / 528 Mo/s
PCI 1998 33 / 66 MHz 32 bits : 132 / 264 Mo/s
64 bits : 264 / 528 Mo/s
PCI-X 1.0 1999 66 / 100 /133 MHz 32 bits : 264 / 400 / 532 Mo/s
64 bits : 528 / 800 / 1064 Mo/s
PCI 2.3 2002 33 / 66 MHz 32 bits : 132 / 264 Mo/s
64 bits : 264 / 528 Mo/s
PCI-X 2.0 2002 133 / 266 / 533 MHz 32 bits : 532 / 1064 / 2128 Mo/s
64 bits : 1064 / 2128 / 4256 Mo/s
- Bus PCMCIA : C'est un bus développé principalement pour les portables. Ses performances sont relativement
limitées. Sa largeur n'est que de 16 bits et sa vitesse ne dépasse pas 33 Mhz. Il ne possède que 26 lignes
d'adresses, ce qui limite l'espace mémoire à 64 mégaoctets. Il n'autorise pas la prise de contrôle du bus par les
périphériques. En revanche, il présente un certain nombre d'avantages, particulièrement intéressants dans le cas
des ordinateurs portables. Le principal est la très petite taille des connecteurs et des cartes d'extension (format
carte de crédit). De plus, c'est le seul qui autorise la connexion et la déconnexion des cartes d'extension sans
couper l'alimentation de l'ordinateur.
- Bus AGP (Accelerated Graphics Port ) : apparu en mai 1997 pour permettre de gérer les flux de données
graphiques devenant trop importants pour le bus PCI. Le bus AGP est directement relié au bus processeur (FSB :
Front Side Bus) avec même fréquence, donc une bande passante élevée.
L'interface AGP a été mise au point pour la connexion de la carte graphique en lui ouvrant un canal direct d'accès à
la mémoire (soit DMA : Direct Memory Access), sans passer par le contrôleur d'entrée-sortie. Les cartes AGP ont
donc théoriquement besoin de moins de mémoire embarquée, puisqu'elles peuvent accéder directement aux
données graphiques stockées dans la mémoire centrale. Dans les faits, elles embarquents de la mémoire et un
processeur de traitement graphique.
Débits des différentes normes AGP :
AGP 1X : 66,66 MHz x 1(coef.) x 32 bits /8 = 266.67 Mo/s
AGP 2X : 66,66 MHz x 2(coef.) x 32 bits /8 = 533.33 Mo/s
AGP 4X : 66,66 MHz x 4(coef.) x 32 bits /8 = 1,06 Go/s
AGP 8X : 66,66 MHz x 8(coef.) x 32 bits /8 = 2,11 Go/s
Les cartes peuvent être équipées de trois types de connecteurs (couleur marron normalisée) : AGP 1,5 volts et 3,3
volts (avec détrompeur) et AGP universel (sans détrompeur).
- Bus USB (Universal Serial Bus) : élaboré en 1995 pour la connexion d'une grande variété de périphériques, il est
basé sur une architecture de type série beaucoup plus rapide que les ports série précédents. La norme USB permet
le chaînage d'un maximum de 127 périphériques. La communication se fait selon un protocole de type Token ring).
Les ports USB supportent le Hot plug and play.
L'architecture USB fourni l'alimentation électrique aux périphériques qu'elle relie (maximum 15W par périphérique).
Elle utilise quatre fils : la masse, l'alimentation et deux fils de données.
- Bus Firewire : mis au point en 1995 (norme IEEE 1394) pour fournir un système d'interconnexion permettant
de faire circuler des données à haute vitesse en temps réel. Apple lui a donné le nom de Firewire », devenu le nom
le plus utilisité (connu aussi sous le nom de i.Link et Lynx). C'est un port permettant de connecter des
périphériques (caméras numériques...) à très haut débit. Il existe des cartes d'extension (sur connecteur PCI ou
PCMCIA) pour ajouter des connecteurs FireWire aux ordinateurs. Le système de ponts, permettant de relier
plusieurs bus entre eux, permet d'adresser 65535 périphériques.
Le bus IEEE 1394 fonctionne à peu près comme le bus USB, mais il utilise un câble composé de six fils (2 pour les
données, 2 pour l'horloge, 2 pour l'alimentation). Les deux fils d'horloge lui donnent la possibilité de fonctionner
selon deux modes de transfert :

- asynchrone : basé sur une transmission de paquets à intervalles de temps variables. L'hôte envoie un paquet de
données et attend un accusé de réception du périphérique. Le paquet est à nouveau réexpédié si l'A/R n'est pas
recu.
- isochrone : il permet l'envoi de paquets de données de taille fixe à intervalle de temps régulier. Un nœud (Cycle
Master) envoi un paquet de synchronisation (Cycle Start packet) toutes les 125 microsecondes. L'accusé de
réception n'est pas nécessaire, le débit est donc fixe, l'adressage les transferts plus rapide.
Débits des différentes normes Firewire : (1394b est aussi appelée FireWire 2 ou FireWire Gigabit)
IEEE 1394a-S100 100 Mbit/s
IEEE 1394a-S200 200 Mbit/s
IEEE 1394a-S400 400 Mbit/s
IEEE 1394b-S800 800 Mbit/s
IEEE 1394b-S1200 1200 Mbit/s
IEEE 1394b-S1600 1600 Mbit/s
IEEE 1394b-S3200 3200 Mbit/s
- Bus PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express) : Le bus internes de type parallèles (ISA, PCI...)
arrivent à des limites technologiques à cause des difficultés de routage, les limitation en fréquence et tension. Les
PCI express, liaisons point-à-point avec switchs sont la solution à cette limitation.
Le bus PCI Express, noté aussi PCI-E ou 3GIO (Third Generation I/O») a été mis au point en juillet 2002.
Il existe plusieurs versions, 1X, 2X, 4X, 8X, 12X, 16X et 32X qui permettent d'obtenir des débits entre 250 Mo/s et
8 Go/s, (4 fois le débit AGP 8X). Ce bus permet le Hot plug. Les connecteurs PCI Express sont incompatibles avec
les anciens connecteurs PCI pour une plus faible consommation électrique.
Schéma des bus
Schéma simplifié des bus sur un PC

Schéma hiérarchique d'un bus sur un PowerPC (carte MCP750)
Comparatif architecture PCI / PCI Express

PCI (Périphéral Component Interconnect) :
- 33, 66, 100, 133, 166 Mhz
- 32 à 64 bits de données
- 3 espaces d'adressages : suivant l'état de certaines lignes de contrôle, on accédera avec une même adresse, à 3
données différentes ...
- Espace de Configuration, espace d'I/O, espace mémoire
- Dans l'espace de configuration, un numéro est attribué, par construction, à chaque périphérique. Cet espace
permet e connaître les besoins en espace mémoire et I/O, le nombre de registres, le type de device, de configurer
le device pour qu'il réponde ensuite aux bonnes adresses dans les espaces mémoire et I/O.
- Transmission synchrone (la mesure de signal se fait sur le front montant de l'horloge)
- Avec acquittement
- Arbitrage centralisé, généralement dans le Bridge principal
- Lignes d'adresses et de données multiplexées (la distinction se fait par la ligne de controle IRDY#).
PCI Express :
- Version série par paquets du PCI
- 2.5Gb/s par ligne
- Supporte plusieurs lignes: x2, x4, x8, x16, x32
- 100% compatible d'un point de vue logiciel avec PCI.
Le Chipset (jeu de composants)
C'est l'élément chargé d'aiguiller les informations entre les différents bus de l'ordinateur afin que les différents
composants puissent communiquer entre eux. Le chipset était au départ composé d'un grand nombre d'éléments
électroniques, d'où son nom. Il est généralement composé de deux éléments :
- Le NorthBridge (Pont Nord ou Northern Bridge, ou contrôleur mémoire), chargé de contrôler les échanges entre
le processeur et la mémoire vive. C'est le Chipset le plus proche du processeur.
- Le SouthBridge (Pont Sud ou Southern Bridge, ou contrôleur d'entrée-sortie, ou contrôleur d'extension) gère les
communications avec les périphériques d'entrée-sortie.
On parle généralement de bridge (en français pont) pour désigner un élément d'interconnexion entre deux bus.
Pour communiquer, deux bus ont besoin d'avoir la même largeur.