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Chapitre 08 - Le microprocesseur et son environnement

PLAN DU CHAPITRE

Ce chapitre a pour objectif de présenter l’ordinateur de son intérieur vers son extérieur. Nous allons adapter et appliquer cette logique pour créer étapes par étapes les composants les plus importants et découvrir certains fonctionnements. Notre présentation commence par l’unité de calcul, ensuite l’accès à la mémoire proche et centrale puis enfin un regard sur la carte mère et ses connecteurs.

Ce chapitre comporte principalement 4 parties :

  1. la construction de l’unité centrale.

  2. les câblages internes.

  3. le fonctionnement du processeur.

  4. la vue complète d’un ordinateur.

PRESENTATION

L'architecture d’un ordinateur est un ensemble de circuits électroniques (composants) qui peuvent traiter, capter et enregistrer des informations numériques (binaires) via des bus de communication. Les bus sont des ensembles de fils électriques qui permettent la circulation de l’information (énergie, données, contrôles) entres les composants. Un processeur construit comme un seul circuit est nommé microprocesseur (CPU (Central Processing Unit)).

L'architecture d’un ordinateur change en permanence, entre le nombre de circuits (intégrés sur des disques de silicium, de diamant) sur sa complexité, avec les différents algorithmes mappés directement sur le matériel (par exemple il existe maintenant des liens directs entre Intel (Matériel) et Microsoft (logiciel, système d’exploitation)).

Les fabricants de CPU principaux sont Intel et AMD. Intel fabrique des CPU toujours plus rapides avec plus des fréquences de fonctionnement toujours plus élevées. AMD concentre son travail sur des architectures optimales pour exécuter plus d’instructions par cycle d’horloge.

Pour connaître les performances d’un CPU, inutile de se baser sur uniquement la valeur de sa fréquence de fonctionnement. Il est nécessaire de tenir compte des caractéristiques liées à son architecture comme les communications, les performances des composants. Attention également, il est nécessaire de tenir compte de la bonne compatibilité des composants entre eux pour en pas avoir de déperditions. L’étude que nous allons faire dans ce document n’est pas de comparer les différents architectures existantes, mais de comprendre comment une architecture fonctionne.

Le traitement des informations contenues dans les instructions (provenant généralement de programmes) est calculé et effectué par l'unité CPU qui est un circuit vu comme le cœur du système informatique. Un modèle de Von Neumann décrit 4 composants essentiels, une unité de traitement composée de son UAL (Unité Arithmétique et Logique) et de différents registres (espaces de mémoire petites et très proches de l’UAL), une UC (Unité de Contrôles ou Unité de Commandes) composée d’un séquenceur, de registre d’instruction et d’un registre d’adresse, une mémoire composée de registres comportant les adresses des cases mémoires accédées et une E/S (unité d’Entrées/Sorties) composée de circuits pour relier les périphéries (clavier, écran) à l’unité de contrôle et à la mémoire.

Figure 1.1. Architecture de Von Neumann

Architecture de Von Neumann

Le concept de Von Neumann est une architecture déterministe (ne donne aucun doute de choix), persistante (qui a de la mémoire et garde l’information), à vitesse élevée (dont l’homme n’est pas en mesure d’atteindre). Cette architecture conserve les instructions en mémoire avec les données des instructions à faire. Elle permet de traiter des séquences d’instructions (les demandes sont ordonnées) en mode répétitif (l’infinité de la demande peut même être possible) tout en gardant une unicité des résultats (les séquences identiques peuvent être faites plusieurs fois, le résultat est garanti).

L’UC détermine l'ordre d’exécution et interprète les instructions tout en contrôlant la récupération des opérandes nécessaires. Il gère le flux d'informations au travers du système en émettant des signaux de commande vers les différents composants E/S, Mémoire et UAL. Chaque opération provoquée par un signal de commande est appelée micro-opération.

L'exécution d'un programme dans une machine Von Neumann nécessite l'utilisation des 3 composants principaux UAL, Mémoire, et UC. Un logiciel, nommé système d'exploitation, contrôle le fonctionnement de ces 3 composants. Ce programme sera chargé dans la mémoire. Avant d'être chargé, le programme est stocké sur un périphérique de stockage secondaire (comme un disque). Dans cette organisation, la mémoire et les registres servent à la fois à stocker des instructions et des données. Son fonctionnement se déroule en 3 grandes étapes :

Figure 1.2. Fonctionnement d’une architecture Von Neumann

Fonctionnement d’une architecture Von Neumann

Pour accéder de façon automatique à une case mémoire, il faut utiliser un compteur. Ce compteur est considéré comme un registre spécial : le CO (Compteur Ordinal). La valeur de ce compteur va désigner la case mémoire contenant la prochaine instruction à charger : cela correspond à l’adresse de la prochaine instruction. Le compteur ordinal contient une adresse, mais le processeur contient généralement d’autres registres qui permettent de stocker d’autres adresses utilisées au sein de notre programme assembleur. Ces registres sont appelées registres d’adresse.

Le système d'exploitation utilise les interfaces d'E/S pour extraire le programme du stockage secondaire et le charger dans la mémoire.

LA CONSTRUCTION DE L’UAL, DES REGISTRES INTERNES, ET DU CONTROLEUR

Dans cette partie, il s’agit d’une création pédagogique pour comprendre le fonctionnement d’une UAL. Notre UAL est perçue comme un calculateur. Il s’agit d’un circuit logique qui exécute les opérations, les traitements et les commandes de l'ordinateur. Elle reçoit ses instructions (codée en binaire) d’une unité de commande, et peut lire et écrire dans des mémoires.

Les registres sont des emplacements temporaires pour stocker et transférer rapidement les données et les instructions utilisées. Les registres sont souvent sur le même circuit et directement connectés à l’UC. Les registres ont un temps d'accès plus rapide que la mémoire. Par conséquent, l'utilisation de registres à la fois comme source d'opérandes et comme destination des résultats améliorera la performance.

Le code binaire d’une instruction représente l’opérateur et les valeurs à traiter. Les données retournées sont en binaire accompagnées d’indications sur les retenues, débordements, … (registre des états). Le circuit de l’UAL sera composé d’un ensemble de fonction d’opération qui s’exécute en parallèle.

Nous construisons une UAL 1 bit avec 4 types d’opérations :

  • l’addition.

  • le NON-OU logique.

  • le NON-ET logique.

  • le OU exclusif.

Ces 4 montages sont placés avec 2 entrées (nommées A et B) communes et leur sortie (notée Op0 pour l’addition, Op1 pour le NON-OU logique, Op2 pour le NON-ET logique et Op3 pour le OU exclusif) distinctes.

Les 4 opérateurs de l’UAL fonctionnent simultanément, cependant à un instant donné, un seul résultat nous intéresse. Pour sélectionner le bon résultat, nous branchons un des quatre signaux Opi à la sortie S de notre UAL. Pour établir cette sélection nous utilisons un multiplexeur. Les signaux de contrôle du multiplexeur (sélecteurs) sont nommés C0 et C1 (nous avons 4 possibilités pour 2 bits de contrôle) et C2 (le sélecteur qui permet de contrôle l’état "branché ou débranché" de la sortie S du multiplexeur).

A côté de ce premier montage, nous plaçons 4 registres de données 1 bit. Pour cela, nous utilisons simplement 4 bascules D. L’interconnexion de ces bascules s’effectue de la manière suivante :

  • l’entrée D de ces 4 bascules sera commune.

  • les entrées (notées T0, T1, T2 et T3) seront distinctes.

  • les sorties (notées Q0, Q1, Q2 et Q3) seront distinctes.

  • les sorties /Q ne sont pas utilisées.

Les 4 registres du processeur ont une entrée commune et des sorties distinctes et vont nous permettre de stocker l’information dans le bon registre. Pour le fonctionnement, il suffit d’activer le bon Ti. Comme nous avons à chaque fois un Ti à sélectionner parmi les 4, nous utiliserons un décodeur 2 vers 4. Pour récupérer l’information du bon registre, il faut de nouveau multiplexeur qui va prendre en entrée les signaux Qi et rendra en sortie un signal E.

Les sélecteurs (signaux de contrôle) du décodeur seront notés C3, C4 et C5 et ceux du multiplexeur seront appelés C6, C7 et C8.

A ce stade de notre étude, nous disposons de 2 montages un de l’UAL et l’autre le bloc de registres internes.

Figure 1.3. Registres et UAL

Registres et UAL

Les schémas bloc de la figure ci-dessus doivent maintenant se raccorder, pour cela nous plaçons un bus de données commun aux entrées et aux sorties de l’UAL et au bloc de registres. Ainsi les pattes A, B, D, E et S de notre montage sont reliées par un même fil. Notons que nous réalisons un montage 1 bit, donc 1 fil, si nous étions en 8 bits nous aurions 8 fils, 32 bits, 32 fils … .

Comme tous les circuits électriques, il faut faire attention aux courts circuits. Nous ajoutons donc 1 porte 3 états à la sortie du bloc de registres (juste après la patte E, nous obtenons une patte E’), 1 autre porte 3 états à la sortie de l’UAL (juste après la patte S, nous obtenons une patte S’).

Pour faire une mémoire entre plus proche de notre UAL et pour permettre de stocker plus rapidement des résultats intermédiaires, nous ajoutons 2 registres. Ces 2 nouveaux registres nommés A’ et B’ (en entrée) permettront de stocker de façon temporaire les opérandes A et B et donc sont placés juste avant les pattes A et B.

Nous relions les pattes A’, B’, S’, E’ et D entre elles par un fil et nous notons C9, C10, C11 et C12 les sélecteurs de contrôle du montage.

Figure 1.4. Registres et UAL reliés

Registres et UAL reliés

Même si nous sommes en 1 bit, notre additionneur rend un résultat sur 2 bits. Le bit résultat issu de l’addition des 2 bits placés en entrée et le bit de retenu (Carry) non encore utilisé. Nous parlons ainsi des états du calcul. Pour garder les informations, nous construisons le registre d’états à partir de bascule D. Nous conservons 1 bit, si l’addition provoque une retenue, et nous ajoutons une bascule D avec C13 comme sélecteur. Nous conservons 1 bit, si le résultat est nul, et nous ajoutons une bascule D avec C14 comme sélecteur.

Figure 1.5. Registres, UAL et séquenceurs reliés

Registres, UAL et séquenceurs reliés

Figure 1.6. Registres, UAL avec unité de contrôle

Registres, UAL avec unité de contrôle

Tous les sélecteurs Ci mis ensemble forment l’unité de contrôle de notre processeur 1 bit. Dans une architecture plus conséquente le principe des sélecteurs restent identique et câblés à d’autres éléments produiraient l’unité de contrôle (séquenceur) et aussi le décodeur d’instructions.

Pour effectuer notre schéma global et faire de la simulation, nous ajoutons des commutateurs pour créer le contrôle avec les sélecteurs Ci.

Pour faciliter la manipulation de notre processeur, nous ajoutons un signal supplémentaire appelé RESET (qui sera commandé par un commutateur). Avec si le signal est à 1, cela force à enregistrer un 0 dans toutes les bascules D du montage. Si le signal est à 0, le montage fonctionne normalement.

LE CABLAGE DU CPU AVEC L’EXTERIEUR

Les bus sont des ensembles de fils électriques mis en parallèle. Les bus permettent de connecter les circuits intégrés entre eux. Ils transportent les données des sorties aux entrées des circuits.

Figure 1.7. Bus de communication entre des circuits

Bus de communication entre des circuits

Dans une architecture, nous avons des ROM (Read Only Memory) et RAM (Random Access Memory) constituées par n bascules D avec une horloge commune. Les données sont en sortie sur un tic d’horloge par exemple sur le front montant.

Ces mémoires ROM et RAM nécessitent des signaux particuliers pour fonctionner. Ces signaux devront être contrôlés par le processeur et ils viendront s’ajouter aux signaux de contrôle déjà existants (éléments supplémentaires à séquencer).

Par exemple, si les blocs de mémoire comportent 5 lignes d’adresse. Il est nécessaire de rendre compatible les mémoires et les bus. Pour atteindre et manipuler les mémoires, il faut mettre en place un mécanisme pour sélectionner le bon bloc de la mémoire. Par conséquent dans ce cas, nous utiliserons 8 lignes d’adresse les 5 nécessaires pour la mémoire elle-même et les lignes d’adresse restantes pour le mécanisme de sélection. Pour les données nous opterons pour un bus de communication 8 lignes.

Figure 1.8. Bus d’adresses et de communication de données avec sélection

Bus d’adresses et de communication de données avec sélection

Pour compléter les connexions des bus, il ne nous reste qu’à ajouter:

  • des buffers à 3 états pour relier le bus de données interne et le bus de données externe.

  • des buffers à 3 états pour relier le bus d’adresse interne et le bus d’adresse externe.

  • de nouveaux signaux de contrôle pris en compte dans le séquencement.

Figure 1.9. Représentation d'un 4004 avec ses bus

Représentation d'un 4004 avec ses bus

Avec une architecture telle que celle de la figure ci-dessus, il suffit d’appliquer un protocole de fonctionnement.

LE FONCTIONNEMENT DU CPU

Un ordinateur est construit à partir d’un cycle d’exécution qui se répète sans fin. Tout le cycle part d’une instruction (représentation codée suivant un format précis) pour en extraire les calculs et les données à faire et enfin placer les résultats soit en valeur intermédiaire soit en mémoire. Un processeur doit traiter une donnée externe et renvoyer un résultat. Toutes les instructions évoluées ont toutes un fonctionnement très proche (il s’agit du même type de séquencement).

Un ensemble d’instructions évoluées (appelé le jeu d’instructions du processeur) permet de contrôler facilement et finement le fonctionnement d’un processeur. Pour cela un cycle de commandes se met en place par :

• sélectionner l’instruction à exécuter.

• activer les éléments du processeur pour permettre l’exécution de l’instruction.

Pour faire le lien entre ces instructions et le séquencement des opérations de base, nous devons ajouter un circuit supplémentaire appelé décodeur d’instructions qui comportera :

• des lignes d’entrée afin de recevoir le numéro (en binaire) de l’instruction à effectuer.

• des lignes de sortie qui permettront de pré-activer les éléments nécessaires à la réalisation de l’instruction.

Pré-activer signifie que cette activation sera effective lorsque l’élément concerné sera désigné par le séquenceur. Indiquant qu’un élément du CPU sera activé lorsqu’il aura été préalablement pré-activé par le décodeur et qu’il sera désigné par le séquenceur. Le signal permettant d’activer un élément sera issu d’une porte ET à 2 entrées :

• la première entrée provient du séquenceur.

• la seconde entrée est issue du décodeur d’instructions.

Le décodeur d’instructions est une simple ROM possédant une sélection CS, 2N entrées (les lignes adresses) et C sorties pour établir une correspondance entre l’entrée (l’instruction évoluée) et les lignes Ci à pré-activer.

Figure 1.10. Décodeur d’instructions

Décodeur d’instructions

Pour fonctionner tout seul, un microprocesseur a besoin de manière automatique les instructions et les données à traiter. Pour cela, il utilise sa mémoire externe (par opposition aux registres qui sont internes aux microprocesseurs).

Pour accéder de façon automatique à une case mémoire, il est nécessaire d’utiliser un compteur considéré comme un registre spécial il s’agit du le compteur ordinal. La valeur de ce compteur désigne la case mémoire contenant la prochaine instruction à charger : cela correspond à l’adresse de la prochaine instruction.

Note :

• le compteur ordinal peut être initialisé de façon logicielle à une valeur particulière donc il dispose d’une entrée comme les autres registres d’adresse.

• le bus de données pourrait également être connecté aux registres d’adresse car il est possible (en assembleur) de transmettre des adresses d’un registre de données et inversement mais ce cas ne sera pas traité ici.

L’ORDINATEUR

Les premières parties se sont intéressées de la partie interne du CPU et de son environnement et nous avons vu que l’organisation de notre ordinateur se résume à :

Figure 1.11. Résumé d'un ordinateur

Résumé d'un ordinateur

Il est évident qu’en regardant la figure ci-dessus, il manque des explications d’organisation de transfert et de diffusions des données entre l’intérieur et l’extérieur de l’ordinateur. Nous allons donc rapidement découvrir la structure plus complète d’un ordinateur en évoquant les supports, les cartes, les connectiques, et détailler quelques périphériques.

Notons de façon générale que pour communiquer dans un ordinateur, il existe deux types, les échanges parallèles et les échanges séries. Dans le cas parallèle, tous les bits d’un mot sont transférés en même temps. Le transfert des données devient rapide mais la distance entre les composants ne peut pas être trop grande car il faut un nombre important de fil pour constituer les bus. Les communications parallèles sont cadencées par les cycles d’horloge de la machine. Pour le cas série, il y a un fil et par conséquent les bits sont transférés les uns après les autres.

La carte mère

La carte mère est le support principal d’un ordinateur. Elle constitue le composant physique indispensable pour rassembler tous les composants d’un ordinateur. Pour un fonctionnement optimal, elle est alimentée de courant (secteur, pile) et ventilée pour éviter les échauffements de composants. Elle contient les bus, les chemins d'accès, les emplacements pour tous les composants électriques. Les bus permettent le déplacement des données, des commandes, des adresses entre les différents composants d'un ordinateur. Les chemins sont utilisés grâce à des contrôleurs (aiguilleurs). Les emplacements sont des endroits fixes pour clipser, enficher d’autres composants (circuits). Il est évident qu’une carte mère prévue à cet effet pourra accepter d’autres cartes (graphiques, réseaux, ….)

Figure 1.12. Une carte mère d’un ordinateur

Une carte mère d’un ordinateur

La carte mère s'adapte au processeur, à la mémoire vive (RAM), aux logements d'extension, à l'ensemble dissipateur thermique/ventilateur, à la puce du BIOS (Basic Input Output System), au jeu de composants chipset (interface E/S), aux interfaces de connexion, aux connecteurs internes et externes, aux différents ports et aux fils intégrés qui s'interconnectent aux composants de la carte mère.

Figure 1.13. Schéma d'une carte mère d'un ordinateur

Schéma d'une carte mère d'un ordinateur

Le jeu de composants chipset comprend différents circuits intégrés fixés à la carte mère. Les chipsets contrôlent la manière dont le matériel du système interagit avec le processeur et la carte mère. Le processeur est installé dans un logement ou une interface de connexion sur la carte mère. L'interface de connexion de la carte mère détermine le type de processeur pouvant être installé.

Figure 1.14. Carte mère avec différents composants

Carte mère avec différents composants

Les ordinateurs ont des logements d'extension sur la carte mère (comprenant les adaptateurs pour les échanges entre les différents composants).

Les adaptateurs augmentent la fonctionnalité d'un ordinateur en ajoutant des contrôleurs pour des unités spécifiques, ou en remplaçant des ports ne fonctionnant pas correctement.

Il est courant de retrouver sur une carte mère, une carte réseau comme NIC (Network Interface Card) qui a pour rôle de connecter l’ordinateur à un réseau, avec un câble réseau. Dans les versions les plus modernes il sera préféré de trouver une carte réseau sans fil qui a pour rôle de connecter l’ordinateur à un réseau mais grâce à des radiofréquences. Une carte son qui propose des capacités audio supérieures aux circuits de son de la carte mère elle-même. Une carte vidéo qui propose par traitement des capacités graphiques de plus en plus de bonne qualité.

Il faut noter que le connecteur spécifie le bus de connexion et le format des transferts des données, commandes, contrôles. Les standards et les normes sont toujours importants dans la conception matérielle pour permettre une certaine harmonie entre les différents constructeurs. Pour les différents types de logements (connecteurs) et d'extension dans une carte mère nous avons par exemple :

  • socket conçu pour accueillir le CPU.

  • FSB (Front Side Bus) conçu pour relier le CPU a ces mémoires.

  • PCI (Peripheral Component Interconnect) est un logement d'extension 32 bits ou 64 bits. PCI est le logement standard utilisé actuellement dans la plupart des ordinateurs. Il permet d’ajouter des cartes d’extension (cartes son, carte graphique, carte réseaux,…).

  • PCI-Express est un logement d'extension de bus série. PCI-Express est rétro compatible avec le logement parallèle PCI. PCI-Express dispose de 1, 4, 8 et 16 logements et permet des bandes passantes de plusieurs Go/s. Le plus souvent ils sont pourvus de bus de 16 bits.

  • AGP (Accelerated Graphics Port) est un logement d'extension 32 bits conçu pour les cartes vidéo 3D. Il s’agit maintenant d’une amélioration d’un PCI. En lien avec DIME (DIrect Memory Execution) les données contenues dans la RAM sont exploitées directement sans passer par le CPU (contrairement d’un DMA (Direct Memory Access)).

  • S-ATA (Serial Advanced Technology Attachment), est un connecteur pour les disques durs, les lecteurs, etc.

  • IDE conçu pour relier 2 composants de stockage comme les disques durs. Pour communiquer les échanges seront de types maître, esclave.

Figure 1.15. Connecteur PCI

Connecteur PCI

Figure 1.16. Connecteur S-ATA

Connecteur S-ATA

A titre d’exemple Intel et AMD utilisent des sockets et des chipsets différents pour leurs CPU imposant le choix sur un type de carte mère. Pour la performance d’un CPU, il ne faut pas négliger son refroidissement. En effet, plus la fréquence augmente et le dégagement de chaleur du CPU est important. Un CPU mal refroidit peut entraîner des dysfonctionnements voire une panne. Il est nécessaire de prévoir un système de refroidissement par air (ventilateur avec radiateur ou dissipateur comme un heat pipe) ou un refroidissement par eau (il est évident pas rependu dans des PC usuels).

Les connecteurs externes

Port série

Les connecteurs d'entrées/sorties (E/S) d'un ordinateur permettent de relier les périphériques. Par exemple la figure ci-dessous montre un port série. Il s’agit d’une norme d’un connecteur par exemple mâle DB-9 ou DB-25. Les ports séries transmettent les données un bit à la fois et en respectant la séquence de transfert. Bien qu’il existe de nouveau standard les ports séries sont toujours utilisés car ils sont encore intégrés dans les cartes mères.

Figure 1.17. Port série

Port série

La figure ci-dessous montre les différents circuits et composant constituant un port série. L’avantage d’un port série est qu’il ne dépendant pas d’une propriété architecturale, mais s’adapte à tous les appareils dotés de cette prise.

Figure 1.18. Schéma d'un port série

Schéma d'un port série

Dans la figure ci-dessus, la plupart des composants comme les CD94094 sont des registres 8 bits. Une fois contrôlé, ces circuits stockent et livrent les données transmisses entre la périphérie est le ou les CPU. Le Max232 indique que nous avons un transfert de données de type asynchrone qui utilise un fil de signal et un fil de masse. Et pour la programmation le port série est doté d’un microcontrôleur 8 bits Le PIC16F628A.

FireWire, Port parallèle, SCSI

Un connecteur FireWire utilise la norme IEEE 1394, également connue sous le nom d'i.Link. La norme IEEE 1394a prend en charge des débits de données allant jusqu'à 400 Mbits/s. La norme IEEE 1394b prend en charge des débits de données qui dépassent 800 Mbits/s.

Figure 1.19. Connecteur FireWire

Connecteur FireWire

Les ports parallèles, dont le circuit est en figure ci-après, utilisent la norme IEEE 1284, pour une imprimante par exemple.

Figure 1.20. Schéma d'un port parallèle

Schéma d'un port parallèle

Un connecteur SCSI (Small Computer System Interface) peut transmettre des données à un débit qui dépasse 320 Mbits/s et prendre en charge jusqu'à 15 périphériques (à vérifier les procédures de terminaison dans le manuel du périphérique). Certains connecteurs SCSI ressemblent à des connecteurs parallèles.

Figure 1.21. Connecteur SCSI

Connecteur SCSI

USB

L'USB (Universal Serial Bus) est une interface normalisée pour la connexion de périphériques à un ordinateur conçue pour remplacer les connexions séries et parallèles. Il s’agit aussi d’un connecteur qui est transfère plus vite les données que les autres ports séries. L’USB permet aussi d’alimenter électriquement les appareils. Depuis le début de sa fabrication, nous avons plusieurs types d’USB :

  1. 1996 : la norme USB 1.0 avec un débit de transmission de 1,5 Mbits/s.

  2. 1998 : la norme USB 1.1 avec un débit de transmission de 12 Mbits/s.

  3. 2000 : La norme USB 2.0 débits de transmission de 480 Mbits/s.

  4. 2008 : La norme USB 3.0 débits de transmission de 5 Gbits/s.

  5. 2013 : La norme USB 3.1 débits de transmission de 10 Gbits/s.

  6. 2014 : La norme USB-C compatible au standard 3.1, avec un meilleur transfert de recharge.

Figure 1.22. Différents types de connecteur USB

Différents types de connecteur USB

Nous pouvons aussi citer qu’il y a plusieurs types de connecteurs USB :

  • A : de forme rectangulaire ce type d’USB est utile pour les claviers, les souris, les webcams, …

  • B : de forme carrée ce type d’USB est utile pour des périphériques à haut débit (disques durs externes, etc.).

  • C : de forme rectangulaire au bord arrondis ce type d’USB, norme spécifique à Appel, permet le transfert de vidé, d’audio, ….

  • micro, mini : utiles pour les appareils comme les Smartphone, les tablettes,…

  • power delivry : ce type d’USB n’est pas pour le transfert des données, mais bien pour le transfert de charge électrique, comme par exemple le port USB-C en version 2.0 plus stable de Appel doté des 2 transferts, comme pour tous les autres types dès la version 1.0. Ce port permettra dès sa mise en place la possibilité de recharger les appareils connectés.

Il est possible de d’aiguiller plusieurs connecteurs USB entre eux, nous parlons alors de concentrateur USB :

Figure 1.23. Carte concentrateur de ports USB

Carte concentrateur de ports USB

Le schéma d’un concentrateur est finalement la mise en série de plusieurs USB avec un sélecteur de port, comme nous le montre la figure ci-après.

Figure 1.24. Schéma d'un circuit d'un concentrateur d'USB

Schéma d'un circuit d'un concentrateur d'USB

Les périphériques

Figure 1.25. Schéma d'un circuit d'un concentrateur d'USB

Schéma d'un circuit d'un concentrateur d'USB

La figure ci-dessus représente 3 formes de représentation entre CPU et périphériques. Chaque matériel connecté se fait piloter de façon logicielle et mécanique. L’ensemble des contrôles fait partie des entées contrôleur. Les contrôles (vus comme des interruptions d’exécutions internes ou externes) sont le plus souvent des fonctions d’aiguillage prenant en compte les connexions (externes) et les demandes processeur (interne).

Figure 1.26. NorthBridge et SouthBrigde

NorthBridge et SouthBrigde

D’après la figure ci-dessus, les normes des contrôleurs NorthBridge et SouthBrigde (composition d’un chipset) ont des rôles distincts et spécifiques. Ils prennent en charge l'interface entre les différents types de bus. La plus grande différence et que les contrôleurs NorthBridge peuvent prendre en charge le contrôle des composants les plus lents (disque dur SCSI …) contrairement au SouthBrigde les composants les plus rapides (disque dur IDE, cartes graphiques). Les périphériques nécessitants une grande bande passante sont placés en NorthBridge donc proche du processeur.

Figure 1.27. Représentation circuit d'un contrôleur

Représentation circuit d'un contrôleur

Dans la représentation de la figure ci-dessus, il est à noter qu’un buffer est un espace mémoire temporaire pour stocker des informations avant d’être aiguillées. Un buffer de commande ou un buffer de donnée seront comparables en termes de composant. Tous les composants seront atteints et reliés à des bus de commandes ou de contrôles ou de donnée.

Il est important de noter que bons nombres de circuits ou composants ont été retenus par leurs caractéristiques d’utilisation. Notamment, les périphériques USB et FireWire peuvent se connecter et se déconnecter alors que l'ordinateur est sous tension. Ce type de manipulation s’appellera des branchements possibles à « chaud ».

Maintenant les ordinateurs, appareils photo, imprimantes, scanners, périphériques de stockage et bien d'autres appareils électroniques comportent des connexions USB.

En termes logiciel, notons qu’un ordinateur dispose d’un BIOS. Le BIOS contrôle les entrées/sorties qui se situent dans la ROM (non modifiable) et dans l’EEPROM (modifiable). Il dispose d’un setup qui permet de modifier les configurations. Et par exemple le BIOS de contrôleur SCSI communique directement avec les interpréteurs de commandes.

Si l’accès logiciel au BIOS n’est pas possible, alors il existe sur les cartes mères un jumper rétablissant les valeurs par défaut. Le jumper se situe généralement près de la pile CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconducteur). S’il n’y a pas de jumper sur l’ordinateur, il faut retirer la pile.

Figure 1.28. Jumper sur carte

Jumper sur carte

Figure 1.29. Carte mère et ses connecteurs

Carte mère et ses connecteurs

Il est également possible d’utiliser le matériel physique au travers d’application et systèmes virtualisés.

Les connecteurs USB et Firewire bien qu’utilisés pour connecter des disques durs externes ne sont pas directement leurs interfaces. Les disques durs externes en S-ATA disposent d’une interface interne de lien pour faire la transformation en USB/S-ATA et Firewire/S-ATA.

Notons aussi que tous les bus de connexions filaires seront probablement tous remplacés par des connections sans fils comme :

• Bluetooth conçu pour un protée de quelques mètres. Il peut être pratique pour des claviers, des souris, …

• WIFI (WIreless FIdelity Network) conçu pour des communications réseau sans fils de plusieurs mètres.

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