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Conception et création d'une application interactive du cours de structure et fonctionnement des ordinateurs


par Sergio ILUNGA MUTOMBO
Ecole supérieure d'informatique de Salama - Ingénieur technicien en design et multimédia 2007
  

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B. Aspect interne

1. L'alimentation

- Rôle : Fournir les tensions nécessaires aux différents composants.

- Tensions : Elles sont identifiées par les couleurs. L'alimentation reçoit une tension de 110/220V AC 60/50Hz et fournit une gamme variée de tensions continues :

§ Jaune : +12V

Pour alimenter les moteurs (lecteur de CD, lecteur de Disquette, Disque dur, Ventilateur).

§ Rouge : +5V

Pour les circuits à technologie numérique tel que le processeur.

§ Violet : +5V Stand-by

Il envoie une tension de faible intensité pour le contrôle de certains circuits (Horloge, CMOS, ...) ; ce qui permet d'avoir toujours l'heure à jour à chaque démarrage de la machine.

§ Orange : +3,3V

Pour les autres circuits numériques tel que les mémoires.

§ Gris : Power Good

C'est le signal émis sur la carte mère pour l'autotest via le TimerChip (un circuit de contrôle), de la stabilité de la tension reçue. Si elle dépasse les limites, la carte mère envoie un signal pour le redémarrage de l'ordinateur.

§ Vert : -5V PS-On (Power OnSelf Test)

C'est un signal émis par la carte mère autorisant l'allumage et l'extinction de l'ordinateur par voie logicielle.

§ Blanc : -5V

§ Bleu : -12V

§ Noir : Masse

- Formats

o AT : Il est composé de 2 connecteurs séparés (P8 et P9) de 6 broches chacun dont :

4 noirs, 4 rouges, 1 orange ou blanc, 1 jaune, 1 bleu et 1 blanc.

Pour le branchement sur la carte mère, les 2 connecteurs doivent être placés de sorte à avoir les fils noirs côte à côte.

o ATX : Il est composé de 20 broches dont :

7 noirs, 4 rouges, 3 oranges, 1 jaune, 1 bleu, 1 violet, 1 vert, 1 gris et 1 blanc.

Un détrompeur permet de l'enficher dans le bon sens sur la carte mère.

o NLX : C'est une carte mère qui a le processeur et les mémoires et une deuxième carte qui est la carte fille, elle intègre les slots d'extension.

- Circuits

o AT : Elle n'est dotée que d'un circuit, celui de puissance. Ce dernier ne dispose pas de PS-ON. C'est pourquoi, l'extinction d'un tel type d'ordinateur se fait toujours physiquement. Après avoir lancé l'extinction logique, un message vous invitera à l'éteindre physiquement.

o ATX : Elle est composée de 2 circuits :

§ de puissance : Il fournit le courant à tout le matériel ;

§ de veille : le PS-ON. Il permettra le démarrage ou le réveille de l'ordinateur par un signal soit :

a) de la carte réseau WOL (Wake-up On LAN) : à partir d'un autre ordinateur du réseau ;

b) d'un modem WOM ou d'un téléphone WOR (Wake-up On Modem/Ring) : à partir d'une ligne téléphonique;

c) de la souris : à partir d'un double clic.

2. La carte mère (Mainboard ou Motherboard)

- Définition

C'est l'élément constitutif principal de l'unité centrale. Le socle permettant la connexion de l'ensemble des éléments essentiels de l'ordinateur. La conception de l'ordinateur étant modulaire, l'utilisateur devra donc choisir des composants en fonction de ses besoins et de la disponibilité des connecteurs disponibles.

- Caractéristiques

Elle est caractérisée selon :

a) Le facteur d'encombrement ou de forme

C'est la géométrie, les dimensions, l'agencement et les caractéristiques électriques de la carte mère (AT, ATX, ...).

b) Le chipset (Jeu de composants ou de circuits)

Il contrôle la majorité des ressources. Il coordonne les échanges de données entre les divers composants de l'ordinateur. Nous en distinguons deux :

§ Le North bridge (Pont Nord) : gère les composants rapides qui fonctionnent à la fréquence du processeur tels le connecteur AGP (pour la carte graphique) et la mémoire RAM. Pour ce faire, il doit être muni d'un radiateur pour son refroidissement car il travaille à une grande fréquence.

§ Le South bridge (Pont Sud) : gère les composants lents. Ils fonctionnent à faible fréquence par rapport au processeur. Exemple : le disque dur, le clavier, la souris, ...

Entre les deux chipsets, nous avons le pont PCI qui les relie. Et l'échange entre les différents composants se fait via les bus.

Le bus

Un bus est un ensemble de lignes électriques permettant la transmission de signaux entres les différents composants de la carte mère. Un bus est caractérisé par sa fréquence de fonctionnement (cadence de transmission des bits), la largeur de voies d'accès (nombre de bits pouvant être transmis simultanément ou nombre de fils) et le débit (bits par seconde).

Types de bus

Il existe trois types de bus :

§ Bus de données (ou d'Entrée/Sortie)

- Ils sont bidirectionnels ;

- Ils sont utilisés pour l'échange de données entre le processeur et son environnement (Mémoire RAM, unité d'Entrée/Sortie, ...).

§ Bus d'adresse

- Ils sont directionnels ;

- Le processeur les utilisent pour affecter (attribuer) une adresse à une donnée stockée dans une mémoire ou pour trouver une donnée sur une mémoire.

§ Bus de contrôle

Ils transmettent un certain nombre de signaux de synchronisation pour un bon fonctionnement entre le processeur et les différents périphériques.

Exemple : Signaux d'horloge, de lecture/écriture, d'interruptions, ...

c) Le type de support du processeur

Le microprocesseur est le cerveau de l'ordinateur. C'est l'unité de traitement de l'information, il exécute les données (ou instructions) entrées et fournit le résultat. Il est caractérisé par sa fréquence (la cadence à laquelle il exécute les instructions). Il a aussi un refroidisseur.

Pour une fréquence de 800 MHz, il effectuera 800 millions d'opérations par seconde.

Tableau 1 : Evolution des microprocesseurs (11(*))

Parmi les familles de processeurs, il en existe deux essentielles sur le marché: Intel et AMD.

Nom

Date

Fréquence

8086 et 8088

1980

8 MHz

286

1982

8 - 16 MHz

386

1991

25 - 33 MHz

486

1992

33 - 50 MHz

Pentium

1994

50 - 66 MHz

Pentium MMX

1997

166, 200, 233 MHz

Pentium II

1998

233, 266, 300 MHz

Pentium III

1999

400, 600 MHz

Pentium IV

2000

1.4, 2.2, 3.06 GHz

Pentium IV EE (Extrême Edition)

2003

3.73 GHz

Sempron (AMD)

2004

1.5 - 2 GHz

Itanium (Intel)

Opteron (AMD)

2005

2 GHz (pour serveurs)

Intel Core,

Intel Double Core

2006

1,4 GHz pour chaque processeur

Supports de processeurs

On distingue deux types de supports de processeurs :

- Slot (fente en français) : Connecteur

Exemple d'un processeur (Intel) à placer sur un slot.

- Socket (embase)

Exemple d'un processeur (AMD) à placer sur un socket.

d) Les connecteurs d'Entrée/Sortie

Les connecteurs d'entrée/sortie servent à recevoir les cartes d'extension qui sont des éléments qu'on peut ajouter à volonté sur la carte mère. Les connecteurs communiquent entre eux à travers les bus. Ces connecteurs étant standardisés, on peut citer :

§ L'architecture ISA

L'architecture ISA a été inventée en 1981 par IBM pour son IBM 8088. Cette première version était de 8 bits et basée sur une fréquence de 4,77Mhz. Elle est composée d'un seul connecteur de couleur noir. Ce slot permet l'accès à 8 lignes de données et à 20 lignes d'adresses. Elle a ensuite évoluée pour être de 16 bits pour la seconde génération.

§ Le PCI

Il a été inventé en 1993 dans sa version 1.0. Il est de couleur blanche. Le PCI utilise aussi le bus système. Il travaille à la fréquence de base de 33 Mhz et existe en version 32 et 64 bits. Cela lui permet d'atteindre des débits théoriques de l'ordre de 132 MBps dans le premier cas et 264 MBps dans le second.

§ L'AGP 

Intel l'a présenté en juillet 1996. A cette époque, la demande en graphisme 3D dépassait souvent les capacités des machines standard. L'architecture PCI avait atteint ses limites au niveau du débit autorisé pour les cartes graphiques. Intel a donc proposé un nouveau bus dédié à de telles cartes. Il a un bus plus rapide que le bus PCI (allant jusqu'à 64 bits et 66 MHz). Il existe en différentes versions : AGP 1x (250 MBps), AGP 2x (500 MBps, il ne change pas de fréquence mais exploite deux fronts mémoire au lieu d'un, un peu comme la DDR), AGP 4x (1 GBps, qui dédouble encore les données) puis l'AGP 8x (2 GBps maximum) présent maintenant dans toutes les cartes mères supportant encore l'AGP.

§ Le PCI Express

Allant de 250 MBps pour le PCI Express 1X, les débits de ce bus peuvent monter à 4 GBps en mode 16X. C'est le remplaçant des bus PCI et AGP.

- La mémoire centrale

La mémoire est un composant de base de l'ordinateur, sans lequel tout fonctionnement devient impossible. Son rôle est de stocker les données avant et pendant leur traitement par le processeur. Ces données sont d'apparence binaire et mémorisées sous forme d'impulsions électriques (une impulsion est égale à 1, aucune impulsion est égale à 0). Plusieurs types de mémoires sont utilisés, différentiables par leur technologie (DRAM, SRAM, ...), leur forme (SIMM, DIMM, ...) ou encore leur fonctionnement (RAM, ROM,).

§ ROM (Read-Only Memory)

Ce type de mémoire est par définition une mémoire ne pouvant être accessible qu'en lecture. En fait, certaines variantes peuvent être lues et écrites mais souvent de manière non permanente. On les utilisera pour stocker des informations devant être rarement mise à jour (Les paramètres du système). De plus, ces données ne seront pas perdues si la mémoire n'est plus alimentée électriquement. Une des utilisations classique de la ROM est le BIOS des PC. Il existe plusieurs types de mémoires ROM :

- ROM : Mémoire programmée de manière hardware en usine. Elle ne peut en aucun cas être reprogrammé. Elle est souvent utilisée pour stocker des informations statiques (Chipset, ...) ;

- PROM (Programmable ROM) : Cette mémoire peut être programmé à l'aide d'un équipement spécifique, mais une seule fois seulement ;

- EPROM (Erasable Programmable ROM) : Mémoire pouvant être reprogrammée autant de fois que nécessaire à l'aide d'un équipement spécifique par Ultraviolet ;

- EEPROM (Electrically Erasable PROM) : Mémoire réinscriptible à volonté. Contrairement à l'EPROM, aucun rayon UV n'est requis pour l'effacer. En effet, cette opération peut se faire électriquement. Ce type de ROM est utilisé pour les Bios pouvant être mis à jour par l'utilisateur (Bios Flash).

§ RAM (Random Access Memory)

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 telle que le disque dur, capable de garder les informations même lorsqu'il est hors tension. On parle de « volatilité » pour désigner ce phénomène. Ce type de mémoire est sous forme de deux catégories selon la technologie :

- SRAM (Static RAM) : Mémoire statique. Cette mémoire a l'immense avantage de pouvoir stocker une valeur pendant une longue période sans devoir être rafraîchie. Elle présente l'inconvénient d'avoir un coût très élevé.

- DRAM (Dynamic RAM) : Mémoire dynamique. A l'inverse de la mémoire SRAM, elle doit être rafraîchie plusieurs fois par secondes. Par contre son coût est nettement inférieur.

La mémoire vive se présente sous la forme de barrettes qui se branchent sur les connecteurs de la carte mère. On peut distinguer donc :

- Les barrettes SIMM (Single In-Line Memory Module) est de 8 (30 pins) ou 32 bits (72 pins). On les place dans des connecteurs groupés par deux ou quatre, généralement les cartes mères comportent deux bank (bank 0 et bank 1). Une bank doit impérativement être utilisée dans son intégralité. La barrette SIMM a une seule encoche à sa face inférieure ;

- Les barrettes DIMM (Dual In-Line Memory Module) : Elle est adaptée aux Pentiums, elle est de 64 bits. Une barrette DIMM a 84 connecteurs sur chaque face, mais chacun est indépendant. Elle a 2 encoches éloignées ;

- Les barrettes RIMM (Rambus In-Line Memory Module). Ces barrettes sont toujours groupées par trois mais des "continuity modules" peuvent être utilisées. Peu coûteuses, ces barrettes ont pour unique fonction d'assurer la continuité du bus de données.

- Les autres composants intégrés

En plus du chipset, des bus et des connecteurs, la carte mère contient un certain nombre d'éléments embarqués, c'est-à-dire intégrés sur son circuit imprimé :

§ Le BIOS

Le BIOS est le programme basique servant d'interface entre le système d'exploitation et la carte mère. Le BIOS est stocké dans une ROM, ainsi il utilise les données contenues dans le CMOS pour connaître la configuration matérielle du système.

Il est possible de configurer le BIOS grâce à une interface (nommée BIOS Setup, Configuration du BIOS) accessible au démarrage de l'ordinateur par simple pression d'une touche (généralement la touche Suppr.).

§ L'horloge et la pile du CMOS

L'horloge temps réel (notée RTC, Real Time Clock) est un circuit chargé de 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 le système peut traiter d'informations.

Lorsque l'ordinateur est mis hors tension, l'alimentation cesse de fournir du courant à la carte mère. Or, lorsque l'ordinateur est rebranché, le système est toujours à l'heure. Un circuit électronique, appelé CMOS (Complementary Metal-Oxyde Semiconductor, parfois appelé BIOS CMOS), conserve en effet certaines informations sur le système, telles que l'heure, la date système et quelques paramètres essentiels du système.

Le CMOS est continuellement alimenté par une pile (au format pile bouton) ou une batterie située sur la carte mère. Ainsi, les informations sur le matériel installé dans l'ordinateur (comme par exemple le nombre de pistes, de secteurs de chaque disque dur) sont conservées dans le CMOS. Dans la mesure où le CMOS est une mémoire lente, certains systèmes recopient parfois le contenu du CMOS dans la RAM (mémoire rapide), le terme de « memory shadow » est employé pour décrire ce processus de copie en mémoire vive.

Lorsque l'heure du système est régulièrement réinitialisée, ou que l'horloge prend du retard, il suffit généralement d'en changer la pile.

En outre, les cartes mères récentes embarquent généralement un certain nombre de périphériques multimédia et réseau :

§ carte réseau intégrée ;

§ carte graphique intégrée ;

§ carte son intégrée.

Figure 1 : Schéma d'une carte mère (12(*))

* 11 www.ybet.be/hardware consulté le 18 mars 2008 à 7:38:40.

* 12 www.commentcamarche.net/carte-mere.php3 consulté le mardi 18 mars 2008 à 8 : 57 :45".

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