S'assurer de la compatibilite entre les sous ensembles








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Seance AB007

S'assurer de la compatibilite entre les sous ensembles

Ressource

Etude technique des différents bus de donnés
1 - Introduction à la notion de bus………………………………………………………..3

2 - Caractéristiques d'un bus………………………………………………………………3

3 - Sous-ensembles de bus…………………………………………………………………4

4 - Les principaux bus……………………………………………………………………….4

5 – Tableau récapitulatif des différents bus……………………………………………..5

6 – Bus d’extension………………………………………………………………………….7

7 – Port parallèle et port série…………………………………………………………….11

8 – Le bus USB………………………………………………………………………………14

9 – Le bus FIREWIRE……………………………………………………………………….17
1 - Introduction à la notion de bus

On appelle bus, en informatique, un ensemble de liaisons physiques (câbles, pistes de circuits imprimés, etc.) pouvant être exploitées en commun par plusieurs éléments matériels afin de communiquer.

Les bus ont pour but de réduire le nombre de « voies » nécessaires à la communication des différents composants, en mutualisant les communications sur une seule voie de données. C'est la raison pour laquelle la métaphore d'« autoroute de données » est parfois utilisée.

2 - Caractéristiques d'un bus

Un bus est caractérisé par le volume d'informations transmises simultanément. Ce volume, exprimé en bits, correspond au nombre de lignes physiques sur lesquelles les données sont envoyées de manière simultanée. Une nappe de 32 fils permet ainsi de transmettre 32 bits en parallèle. On parle ainsi de « largeur » pour désigner le nombre de bits qu'un bus peut transmettre simultanément.

D'autre part, la vitesse du bus est également définie par sa fréquence (exprimée en Hertz), c'est-à-dire le nombre de paquets de données envoyés ou reçus par seconde. On parle de cycle pour désigner chaque envoi ou réception de données.

De cette façon, il est possible de connaître le débit maximal du bus (ou taux de transfert maximal), c'est-à-dire la quantité de données qu'il peut transporter par unité de temps, en multipliant sa largeur par sa fréquence. Un bus d'une largeur de 16 bits, cadencé à une fréquence de 133 MHz possède donc un débit égal à :

16 X 133.106 = 2128.106 bit/s

En informatique on parle plus souvent d’octets pour définir le taux de transfert plutôt que de bits, 1 octet et égal à 8 bits alors:

2128.106/8 = 266*106 octets/s soit 266.106 /1000 = 266.103 Ko/s ou

259.7.103 /1000 = 266 Mo/s

3 - Sous-ensembles de bus

En réalité chaque bus est généralement constitué de 50 à 100 lignes physiques distinctes, classées en trois sous-ensembles fonctionnels

3.1 - Le bus d'adresses

Appelé parfois bus d'adressage ou bus mémoire, il transporte les adresses mémoire auxquelles le processeur souhaite accéder pour lire ou écrire une donnée. Il s'agit d'un bus unidirectionnel.

3.2 - Le bus de données

Il véhicule les instructions en provenance ou à destination du processeur. Il s'agit d'un bus bidirectionnel.

3.3 - Le bus de contrôle

Parfois bus de commandes il transporte les ordres et les signaux de synchronisation en provenance de l’unité de commande et à destination de l'ensemble des composants matériels. Il s'agit d'un bus directionnel dans la mesure où il transmet également les signaux de réponse des éléments matériels.

4 - Les principaux bus

On distingue généralement sur un ordinateur deux principaux bus :

4.1 - Le bus système

Appelé aussi bus interne, en anglais internal bus ou front-side bus, noté FSB. Ce bus système permet au processeur de communiquer avec la mémoire centrale du système (mémoire vive ou RAM).

4.2 - Le bus d'extension

Parfois appelé bus d'entrée/sortie il permet aux divers composants de la carte-mère (USB, port série ou parallèle, disques durs, lecteurs et graveurs de CD-ROM, etc.) de communiquer entre eux mais il permet surtout l'ajout de nouveaux périphériques grâce aux connecteurs d'extension (appelés slots) connectés sur le bus d'entrées-sorties.

5 – Tableau récapitulatif des différents bus

Il est intéressant de noter que, pour communiquer, deux bus ont besoin d'avoir la même largeur. Cela explique pourquoi les barrettes de mémoire vive doivent parfois être appariées sur certains systèmes (par exemple sur les premiers Pentium, dont la largeur du bus processeur était de 64 bits, il était nécessaire d'installer des barrettes mémoire d'une largeur de 32 bits par paire).
Voici un tableau récapitulant les caractéristiques des principaux bus :

Norme

Largeur du bus (bits)

Vitesse du bus (MHz)

Bande passante (Mo/sec)

ISA 8-bit

8

8.3

7.9

ISA 16-bit

16

8.3

15.9

EISA

32

8.3

31.8

VLB

32

33

127.2

PCI 32-bit

32

33

127.2

PCI 64-bit 2.1

64

66

508.6

AGP

32

66

254.3

AGP(x2 Mode)

32

66x2

528

AGP(x4 Mode)

32

66x4

1056

AGP(x8 Mode)

32

66x8

2112

ATA33

16

33

33

ATA100

16

50

100

ATA133

16

66

133

Serial ATA (S-ATA)

1

 

180

Serial ATA II (S-ATA2)

2

 

380

USB

1

 

1.5

USB 2.0

1

 

60

Firewire

1

 

100

Firewire 2

1

 

200

SCSI-1

8

4.77

5

SCSI-2 - Fast

8

10

10

SCSI-2 - Wide

16

10

20

SCSI-2 - Fast Wide 32 bits

32

10

40

SCSI-3 - Ultra

8

20

20

SCSI-3 - Ultra Wide

16

20

40

SCSI-3 - Ultra 2

8

40

40

SCSI-3 - Ultra 2 Wide

16

40

80

SCSI-3 - Ultra 160 (Ultra 3)

16

80

160

SCSI-3 - Ultra 320 (Ultra 4)

16

80 DDR

320

SCSI-3 - Ultra 640 (Ultra 5)

16

80 QDR

640

Bus d'extension

6 – Bus d’extension

On appelle bus d'extension (parfois Bus de périphérique ou en anglais expansion bus) les bus possédant des connecteurs permettant d'ajouter des cartes d'extension (périphériques) à l'ordinateur. Il existe différents types de bus internes normalisés caractérisés par :

  • leur forme,

  • le nombre de broches de connexion,

  • le type de signaux (fréquence, données, etc).



6.1 - Le bus ISA

La version originale du bus ISA (Industry Standard Architecture), apparue en 1981 avec le PC XT, était un bus d'une largeur de 8 bits cadencé à une fréquence de 4,77 MHz.

En 1984, avec l'apparition du PC AT (processeur Intel 286), la largeur du bus est passée à 16 bits et la fréquence successivement de 6 à 8 MHz, puis finalement 8,33 MHz, offrant ainsi un débit théorique maximal de 16 Mo/s (en pratique seulement 8 Mo/s dans la mesure où un cycle sur deux servait à l'adressage).

Le bus ISA permettait le bus mastering, c'est-à-dire qu'il permettait de communiquer directement avec les autres périphériques sans passer par le processeur. Une des conséquences du bus mastering est l'accès direct à la mémoire (DMA, pour Direct Memory Access). Toutefois le bus ISA ne permettait d'adresser que les 16 premiers mégaoctets de la mémoire vive.

Jusqu'à la fin des années 1990 le bus ISA équipait la quasi-totalité des ordinateurs de type PC, puis il a été progressivement remplacé par le bus PCI, offrant de meilleures performances.
Connecteur ISA 8 bits :



Connecteur ISA 16 bits :






6.2 - Le bus MCA

Le bus MCA (Micro Channel Architecture) est un bus propriétaire amélioré conçu par IBM en 1987 afin d'équiper leur gamme d'ordinateurs PS/2. Ce bus, d'une largeur de 16 et 32 bits, était incompatible avec le bus ISA et permettait d'obtenir un taux de transfert de 20 Mo/s.

6.3 - Le bus EISA

Le bus EISA (Extended Industry Standard Architecture), a été mis au point en 1988 par un consortium de sociétés (AST, Compaq, Epson, Hewlett-Packard, NEC, Olivetti, Tandy, Wyse and Zenith), afin de concurrencer le bus propriétaire MCA lancé par IBM l'année précédente. Le bus EISA utilisait des connecteurs de même dimension que le connecteur ISA, mais avec 4 rangées de contacts au lieu de 2, permettant ainsi un adressage sur 32 bits.

Les connecteurs EISA étaient plus profonds et les rangées de contacts supplémentaires étaient placées en dessous des rangées de contacts ISA. Il était ainsi possible d'enficher une carte ISA dans un connecteur EISA. Elle rentrait cependant moins profondément dans le connecteur (grâce à des ergots) et n'utilisait ainsi que les rangées de contacts supérieures (ISA).



6.4 - Notion de bus local

Les bus d'entrée-sortie traditionnels, tels que le bus ISA, MCA ou EISA, sont directement reliés au bus principal et sont donc forcés de fonctionner à la même fréquence, or certains périphériques d'entrée-sortie nécessitent une faible bande passante tandis que d'autres ont besoin de débits plus élevés : il existe donc des goulots d'étranglement sur le bus (en anglais le terme « bottleneck », littéralement « goulot de bouteille » est couramment utilisé). Afin de remédier à ce problème l'architecture dite de « bus local » (en anglais local bus) propose de tirer partie de la vitesse du bus processeur (FSB) en s'interfaçant directement sur ce dernier.
6.5 - Le bus VLB

En 1992 le bus local VESA (VLB pour VESA Local Bus) a été mis au point par l'association VESA (Video Electronics Standard Association sous l'égide de la société NEC) afin de proposer un bus local dédié aux systèmes graphiques. Il s'agit d'un connecteur ISA 16-bits auquel vient s'ajouter un connecteur supplémentaire de 16 bits :


Le bus VLB est ainsi un bus 32-bit prévu initialement pour fonctionner à une fréquence de 33 MHz (fréquence des premiers PC 486 de l'époque). Le bus local VESA a été utilisé sur les modèles suivants de 486 (respectivement 40 et 50 MHz) ainsi que sur les tout premiers Pentium, mais il a rapidement été remplacé par le bus PCI.

6.6 - Le bus PCI

Le bus PCI (Peripheral Component Interconnect) a été mis au point par Intel le 22 juin 1992. Contrairement au bus VLB il ne s'agit pas à proprement parler d'un bus local mais d'un bus intermédiaire situé entre le bus processeur (NorthBridge) et le bus d'entrées-sorties (SouthBridge).

Les connecteurs PCI sont généralement présents sur les cartes mères au nombre de 3 ou 4 au minimum et sont en général reconnaissables par leur couleur blanche (normalisée).

L'interface PCI existe en 32 bits, avec un connecteur de 124 broches, ou en 64 bits, avec un connecteur de 188 broches. Il existe également deux niveaux de signalisation :

  • 3.3V, destiné aux ordinateurs portables ;

  • 5V, destiné aux ordinateurs de bureau.

La tension de signalisation ne correspond pas à la tension d'alimentation de la carte mais aux seuils de tension pour le codage numérique de l'information.

Il existe 2 types de connecteurs 32 bits :

Connecteur PCI 32 bits, 5 V :



Connecteur PCI 32 bits, 3.3 V :



Les connecteurs PCI 64 bits proposent des broches supplémentaires, mais peuvent néanmoins accueillir les cartes PCI 32 bits. Il existe 2 types de connecteurs 64 bits :

Connecteur PCI 64 bits, 5 V :



Connecteur PCI 64 bits, 3.3 V :






6.7 – Le bus AGP

Le bus AGP (sigle de Accelerated Graphics Port, soit littéralement port graphique accéléré) est apparu en Mai 1997, sur des chipsets à base de «Slot One», puis est apparu par la suite sur des supports à base de Super 7 afin de permettre de gérer les flux de données graphiques devenant trop importants pour le bus PCI. Ainsi le bus AGP est directement relié au bus processeur (FSB, Front Side Bus) et bénéficie de la même fréquence, donc d'une bande passante élevée.

L'interface AGP a été mise au point spécifiquement pour la connexion de la carte graphique en lui ouvrant un canal direct d'accès à la mémoire (DMA, Direct Memory Access), sans passer par le contrôleur d'entrée-sortie. Les cartes utilisant ce bus graphique ont donc théoriquement besoin de moins de mémoire embarquée, puisqu'elles peuvent accéder directement aux données graphiques (par exemple des textures) stockées dans la mémoire centrale, leur coût de revient est donc théoriquement plus faible.

La version 1.0 du bus AGP, travaillant à une tension de 3.3 V, propose un mode 1X permettant d'envoyer 8 octets par cycles ainsi qu'un mode 2x permettant le transfert de 8 octets tout les deux cycles.

En 1998 la version 2.0 du bus AGP a apporté un mode AGP 4X permettant l'envoi de 16 octets par cycle. La version 2.0 du bus AGP étant alimentée à une tension de 1.5 V, des connecteurs dits "universels" (AGP 2.0 universal) sont apparus, supportant les deux tensions.

La version 3.0 du bus AGP, apparue en 2002, a permis de doubler le débit de l'AGP 2.0 en proposant un mode AGP 8x.

Le port AGP 1X est cadencé à 66 MHz, contre 33 MHz pour le bus PCI, ce qui lui offre un débit de 264 Mo/s (contre 132 Mo/s à partager entre les différentes cartes pour le bus PCI), soit de bien meilleures performances, notamment pour l'affichage de scènes 3D complexes.

Avec l'apparition du port AGP 4X, le débit est passé à 1 Go/s. Cette génération de carte est alimentée en 25 W. La génération de carte suivante se nomme AGP Pro et est alimentée en 50W. La norme AGP Pro 8x propose un débit de 2 Go/s.
Les débits des différentes normes AGP sont les suivants :

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

Il est à noter que les différentes normes AGP conservent une compatibilité ascendante, c'est-à-dire qu'un emplacement AGP 8X pourra accueillir des cartes AGP 4X ou AGP 2X.


Connecteurs AGP :

Les cartes mères récentes sont équipées d'un connecteur AGP général reconnaissable par sa couleur marron (normalisée). Il existe trois types de connecteurs :

Connecteur AGP 1,5 volts :



Connecteur AGP 3,3 volts :



Connecteur AGP universel :


Voici un tableau récapitulant les caractéristiques des différentes caractéristiques des versions et modes AGP :

AGP

Tension

Mode

AGP 1.0

3.3 V

1x, 2x

AGP 2.0

1.5 V

1x, 2x, 4x

AGP 2.0 universal

1.5 V, 3.3 V

1x, 2x, 4x

AGP 3.0

1.5 V

4x, 8x


6.8 - Le bus PCI Express

Le bus PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express, noté PCI-E ou 3GIO pour «Third Generation I/O»), est un bus d'interconnexion permettant l'ajout de cartes d'extension dans l'ordinateur. Le bus PCI Express a été mis au point en juillet 2002. Contrairement au bus PCI, qui fonctionne en interface parallèle, le bus PCI Express fonctionne en interface série, ce qui lui permet d'obtenir une bande passante beaucoup plus élevée que ce dernier.

Caractéristiques du bus PCI Express :

Le bus PCI Express se décline en plusieurs versions, 1X, 2X, 4X, 8X, 12X, 16X et 32X, permettant d'obtenir des débits compris entre 250 Mo/s et 8 Go/s, soit près de 4 fois le débit maximal des ports AGP 8X. Ainsi, avec un coût de fabrication similaire à celui du port AGP, le bus PCI Express est amené à le remplacer progressivement.

Connecteurs PCI Express

Les connecteurs PCI Express sont incompatibles avec les anciens connecteurs PCI et possèdent des tailles variables et une plus faible consommation électrique. Une des caractéristiques intéressantes du bus PCI Express est la possibilité de brancher ou débrancher des composants à chaud, c'est-à-dire sans éteindre ou redémarrer la machine. Les connecteurs PCI Express sont reconnaissables grâce à leur petite taille et leur couleur anthracite :

Le connecteur PCI Express 1X possède 36 connecteurs et est destiné à un usage d'entrées-sorties à haut débit :



Le connecteur PCI Express 4X possède 64 connecteurs et est destiné à un usage sur serveurs :



Le connecteur PCI Express 8X possède 98 connecteurs et est destiné à un usage sur serveurs :



Le connecteur PCI Express 16X possède 164 connecteurs, et mesure 89 mm de long et a vocation à servir de port graphique :



Le standard PCI Express a également vocation à supplanter la technologie PC Card sous la forme de connecteurs « PCI Express Mini Card ». De plus, contrairement aux connecteurs PCI dont l'usage était limité à la connectique interne, le standard PCI Express permet de connecter des périphériques externes à l'aide de câbles. Pour autant il ne se positionne pas en concurrence des ports USB ou FireWire.
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