Dans ce chapitre, nous allons d’abord rappeler la manière dont sont codées les informations à l’intérieur d’un ordinateur. Ensuite, nous allons étudier l’architecture interne du PC, en particulier le fonctionnement de ses composants principaux (carte mère, processeur, mémoire, disque dur …). Enfin, nous examinerons les périphériques les plus courants et leur fonctionnement général.
Généralités
Pour comprendre et analyser le fonctionnement d’un ordinateur, il faut avoir à l’esprit quelle est son utilité : Un ordinateur sert à stocker et traiter des informations, et il doit le faire quelle que soit la forme de ces informations (texte, image, son, vidéo, etc.). Sous quelle forme manipule-t-il ces informations ?
Un ordinateur est constitué de composants électroniques. Quels sont les états que peut avoir un composant alimenté électriquement ? De manière schématique : le courant passe ou ne passe pas.
Un
ordinateur est constitué de composants électromagnétiques. Quels sont les états
que peut avoir un composant magnétisé ? De manière schématique : magnétisé positivement ou négativement.
Un
ordinateur est constitué de composants optiques. Quels sont les états que peut
avoir un composant qui réfléchit la lumière ? De manière schématique : la
lumière est réfléchie ou n’est pas réfléchie.
Il apparaît donc que, quel que soit le type de composant
que l’on considère, on dispose de 2 états possibles pour stocker et
véhiculer l’information. C’est pourquoi toute information à traiter, quelle que
soit sa nature, doit pouvoir être représentée dans un alphabet à 2
symboles : 0 et 1 .
Ces
symboles sont appelés Bits (Binary digits). Ils composent le langage binaire, qui va permettre de
coder les informations, quelle que soit leur type.
Codage et type de données
Codage des caractères
Principe général : Traduire chaque caractère en une série de bits.
Parmi les systèmes de codage de caractères les plus utilisés, citons le code ASCII (American Standard Code for Information Interchange). En ASCII, un caractère est codé par une série de 7 bits.
Ex : le A se traduit 1000001
le « se traduit 0100010
le 5 se traduit 0110101
Codage des
nombres
Principe général : Convertir les nombres en base 2. Les nombres sont codés sur 8,16 ou 32 bits.
Il existe plusieurs systèmes de codage pour les entiers, le plus répandu consiste à convertir les nombres en base 2, en réservant le bit le plus à gauche pour le signe.
Ex : 25 se convertit en 00011001
-25 se convertit en 10011001
Il existe également plusieurs systèmes de codage pour les nombres à virgule, le plus répandu consiste à convertir le réel en puissance de 10, puis de coder en base 2 la mantisse et l’exposant (codage en virgule flottante).
Ex : 123,45 est transformé en 0,12345 x 10 3
exposant
mantisse
Codage des images
Principe général : Convertir chaque point constituant l’image en un certain nombre de bits représentant la couleur du point.
Ex : Codage simplifié d’une image en deux couleurs :
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0
0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0
0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0
Codage du son
Principe général : Echantillonner l’infinité de valeurs que prend le son en un nombre fini de niveaux déterminés, convertis ensuite en base 2.
Ex : Echantillonnage d’un son en 20 valeurs de10 niveaux déterminés :
Son original Echantillonnage
Notation
Le grand volume d’information à représenter oblige à manipuler un grand nombre de bits. Pour des raisons de facilité d’écriture, on va grouper les bits par paquet de 8, formant ainsi un octet (en anglais byte).
1024 octets forment 1 Kilo-octet (noté Ko)
1024 x 1024 octets forment 1 Méga-octet (noté Mo)
1024 x 1024 x 1024 octets forment 1 Giga-octet (noté Go)
Les principaux composants d’un micro-ordinateur se trouvent à l’intérieur du boîtier que l’on appelle également Unité Centrale.
L’Unité
Centrale
La carte mère
L’élément essentiel de cette unité centrale est la carte mère, un circuit imprimé qui permet l’interconnexion des principaux composants :
· Le processeur, qui fait les calculs
· La mémoire centrale (RAM), qui stocke temporairement les données et les instructions en cours d’exécution
· Les ports et connecteurs, qui permettent de communiquer avec les périphériques (connecteurs IDE, port AGP, ports PCI, port parallèle, port USB …)
Il existe de nombreux types de carte mère, mais quels que soient le modèle ou le constructeur, les cartes mères actuelles respectent globalement l’architecture suivante :
La communication entre les différents composants se fait par l’intermédiaire des différents bus. Un bus est une ligne imprimée (sur ou dans la carte mère) dont le rôle est de véhiculer les bits. Il est caractérisé par sa taille (c’est à dire le nombre de bits qu’il peut transmettre en une fois) et sa fréquence (c’est à dire le nombre de fois par seconde où il peut transmettre des bits).
Ces deux informations permettent de calculer le débit théorique d’un bus :
Débit théorique = Nombre de bits x Fréquence
La carte mère est caractérisée par son chipset, un ensemble de puces qui sont chargées d’assurer la transmission et la synchronisation des informations à l’intérieur de l’Unité Centrale et vers les périphériques. Le chipset comporte deux puces essentielles, communément appelées pont Nord (Northbridge) et le pont Sud (SouthBridge).
Le Pont Nord est chargé des échanges entre processeur, mémoire vive et carte graphique. Les échanges se font en particulier via le bus FSB (Front Side Bus), dont la largeur et la fréquence déterminent les taux de transfert entre mémoire et processeur.
Le Pont Sud est chargé des échanges de données avec les autres composants du PC (disque dur, périphériques, etc.). Ces échanges, beaucoup plus lents, se font par les différents ports et connecteur de la carte mère.
Le microprocesseur
Le microprocesseur (ou CPU : Central
Processing Unit) est le « moteur » de
Actuellement, Intel (avec les Pentium et Céléron) et AMD (Athlon, Duron et Sempron) sont les deux principaux constructeurs de processeurs pour PC.
Les principales caractéristiques d’un processeur sont :
·
Son jeu d’instructions : C’est l’ensemble des opérations
qu’il est capable de réaliser.
·
Sa fréquence : C’est le « tempo », le laps de
temps, entre 2 actions élémentaires. Plus cette fréquence est grande, plus le
laps de temps entre 2 actions est court (et donc, plus l’ordinateur est
rapide).
1
=
Durée entre
2 actions
(en
secondes)
Les meilleurs processeurs actuels sont cadencés à 3,8 GHz.
·
Le type de socle (socket) permettant de le connecter sur
la carte mère. Cette caractéristique est directement dépendante de la carte
mère, qui détermine le type de socle à utiliser.
·
Les niveaux et la taille du cache. Le cache est un espace mémoire
dont l’accès est très rapide et qui sert d’espace « tampon » entre le
processeur et la mémoire centrale (dont l’accès est plus lent).
Il existe d’autres caractéristiques plus techniques (nombre de transistors, largeur du masque, propriétés du pipeline, …) ou plus pratiques (prix, date de mise sur le marché, …). Un tableau récapitulatif de quelques caractéristiques, par modèle de processeur, se trouve en annexe (annexe A).
La mémoire
La mémoire centrale ou mémoire vive (ou RAM : Random Access Memory) est à la fois la « salle d’attente » et l’espace de travail du processeur. Chaque instruction qui doit être exécutée par le processeur, chaque donnée manipulée, est stockée en mémoire centrale. C’est une mémoire volatile (elle se vide dès qu’on éteint l’ordinateur).
La RAM se présente sous forme de module (ou barrette) que l’on enfiche sur la carte mère.
Il existe actuellement trois principales technologies différentes de RAM. Ces technologies sont incompatibles entre elles, c’est la carte mère qui détermine le type de RAM à utiliser:
·
·
·
La SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) : C’est une
technologie déjà ancienne, mais encore présente sur de nombreux PC.
Quelle que soit sa technologie, une RAM a deux
caractéristiques importantes : sa capacité et sa vitesse. On peut
également citer son prix, qui dépend de la technologie, du constructeur, de la
capacité et de la vitesse (exemple pour
La capacité d’un module de RAM varie, selon les technologies, de 32 Mo à 2 Go. La performance du PC est directement liée à la quantité totale de RAM dont il dispose. (voir technique du swapping au chapitre suivant).
La vitesse d’un module correspond à la fréquence à laquelle peuvent se faire les échanges avec le processeur. Un tableau en annexe (annexe B) récapitule les différentes vitesses pour chaque technologie.
Ports et connecteurs
Le type et le nombre de connecteurs présents sur la carte mère dépendent étroitement de son …age. En effet, au fil des évolutions technologiques, certains connecteurs (ISA, AMR, …) ou prises (DIN, …) disparaissent des nouvelles cartes mères, alors que d’autres font leur apparition (FireWire, PCI Express, …). Voici les plus courants :
·
Connecteurs PCI (Peripheral Component
interconnect)
Apparu dans les PCs en 1993, ce type de connecteur est destiné au branchement de cartes d’extension (carte réseau, carte son, carte modem, …). Il est relié au Pont Sud par un bus de 32 bits cadencé à 33 MHz, ce qui autorise un débit théorique de 132 Mo/s.
Connecteurs PCI Carte d’extension PCI
·
Connecteur AGP (Accelerated Graphic Port))
C’est un connecteur à haute vitesse, destiné au branchement de la carte graphique. Apparu à la fin des années 90 afin de palier à la lenteur du bus PCI, ce type de connecteur est directement relié au Pont Nord par le FSB.
Voici un tableau récapitulant les caractéristiques des
différentes versions de
Version AGP
|
Tension
|
Normes
|
Débit
|
AGP 1.0
|
3.3 v
|
1x, 2x
|
266 à 533 Mo/s
|
AGP 2.0
|
1.5 v
|
1x, 2x, 4x
|
266 Mo/s à 1 Go/s
|
AGP 2.0 universal
|
1.5 v, 3.3 v
|
1x, 2x, 4x
|
266 Mo/s à 1 Go/s
|
AGP 3.0
|
1.5 v, 0.8 v
|
4x, 8x
|
1 à 2 Go/s
|
A plus ou moins long terme, le port AGP va
disparaître et être remplacé par
·
Connecteurs PCI Express
Mis au point en 2002, ce type d’interface permet le
branchement « à chaud » de cartes d’extension. Il est proposé en
plusieurs versions (1x à 32 x), avec des débits allant de 250 Mo/s à 8 Go/s. La
forme des connecteurs est différente selon
PCI Express 1x PCI Express 16 x
·
Connecteurs IDE (Integrated Drive Electronics)
Il s’agit de connecteurs (généralement au nombre de 2) utilisés pour brancher disques durs et lecteurs/graveurs de CD et DVD, mais aussi lecteurs Zip et streamers.
Chacun des connecteurs est identifié par un nom sérigraphié sur la carte mère (selon les cartes mères, IDE0 et IDE1 ou bien IDE1 et IDE2). Le port IDE ayant le plus petit numéro est appelé port IDE primaire et l'autre port IDE secondaire.
IDE0
IDE1
Sur un connecteur IDE, on peut brancher une nappe pouvant accueillir au plus 2 périphériques :
Les données de deux périphériques reliés à une même nappe utilisent donc le même chemin pour circuler vers et depuis la carte mère.
Afin de permettre au système de faire une distinction entre les deux « propriétaires » possibles des données, il est nécessaire d'affecter à chacun des périphériques d'une même nappe une indication d'identité. Un des périphériques est le maître (master), c’est son contrôleur qui gère les données qui circulent sur la nappe ; l'autre est l'esclave (slave). Une fois cette identité paramétrée, le système est en mesure de reconnaître avec lequel des périphériques il communique.
Ce réglage s'effectue sur le périphérique à l’aide d'un contacteur métallique appelé cavalier (jumper), selon un schéma figurant généralement sur le périphérique lui-même :
Schéma et positionnement d’un cavalier
Deux périphériques d'une même nappe ne peuvent être tous les deux réglés dans un même mode. Par exemple, deux périphériques en mode maître sur une même nappe bloqueront le démarrage du PC. Un périphérique seul sur une nappe IDE, qu'il soit relié au port primaire ou secondaire, est toujours paramétré en mode maître.
Par convention, le disque dur sur lequel est installé le système d'exploitation doit être le périphérique maître relié au port IDE primaire. Ceci n’est pas une obligation, mais permet des performances optimales.
Lorsqu’on veut ajouter un périphérique IDE en plus du disque dur, quel que soit ce périphérique (deuxième disque dur, lecteur, graveur, etc.), il est conseillé de placer ce deuxième périphérique sur le port IDE secondaire, évidemment en mode maître.
Chacun possède ainsi un contrôleur IDE dédié, les performances générales de la configuration sont les meilleures possibles.
Lorsqu’on veut ajouter des périphériques supplémentaires, la plupart des solutions sont viables, mais il faut garder à l’esprit trois principes essentiels :
- Les transferts de données sont « optimum » lorsque les périphériques sont en mode maître.
- Les transferts de données entre 2 périphériques sur une même nappe sont plus lents que si ces périphériques étaient sur des nappes différentes.
- Il est déconseillé de mettre un lecteur et un graveur sur une même nappe (risque de problèmes en cas de copie directe de CD)
Les configurations suivantes optimisent les situations les plus courantes :
Deux disques durs et un
lecteur (ou un graveur) :
Deux disques durs, un
lecteur et un graveur :
Remarque : On peut éventuellement inverser le
lecteur et le graveur si la gravure est une activité fréquente, afin de ne pas
ralentir le disque principal.
Il existe plusieurs évolutions de
Une nouvelle nappe est apparue à partir de
Une nouvelle norme, le Serial ATA, avec un débit théorique allant jusqu’à 300 Mo/s (Serial ATA II ou SATA 3Gbs), remplace progressivement l'interface IDE actuelle (les premiers disques sont apparus fin 2002). Le principe est d'utiliser un bus série très haute vitesse pour remplacer le bus IDE parallèle (le grand nombre de signaux sur le bus IDE parallèle crée des perturbations qui limitent l’amélioration de sa fréquence).
Interface Serial ATA
Les deux connecteurs (données et alimentation) sont différents de ceux de l’interface IDE.
On ne peut brancher qu’un seul périphérique sur un port Serial ATA, mais ce branchement peut se faire « à chaud » (hot plug).
·
Principaux ports “externes”
PS2
Port USB (Universal
Serial Bus)
C’est un port série (les bits sont transmis les uns
à la suite des autres) qui s’est beaucoup développé ces dernières années.
L’avantage de l’USB est de présenter une connexion relativement rapide (environ
45 Mo/s effectifs pour
Il existe deux types de connecteurs USB, le type B étant généralement utilisé pour les disques durs externes :
Type A Type B
Port PS2
Port série utilisé pour les périphériques « lents » : clavier, souris.
Port FireWire
(IEE 1394)
Ports 1394a Ports 1394b
Ce port a été initialement développé par Apple et Sony pour connecter des périphériques « multimédia » (caméscopes numériques, appareils d'enregistrement audio, ...).
La version 1394b (avec un débit effectif de l’ordre de 80 Mo/s) est de plus en plus utilisée pour les disques durs externes.
·
Débits comparés des ports et connecteurs
Le schéma suivant présente une comparaison des débits théoriques maximums des différents ports et connecteurs que l’on peut rencontrer sur une carte mère :
Débits maximums théoriques
Le BIOS
Le BIOS (Basic Input Output System) est un ensemble de programmes qui assure le démarrage du PC. Son rôle est de détecter et permettre l’utilisation des différents composants.
Les programmes constituant le BIOS sont stockés dans une mémoire EEPROM et utilisent des données qui sont stockées dans une puce CMOS de la carte mère.
On peut modifier ces données utilisées par le BIOS
en lançant le programme Setup au démarrage du PC (selon les BIOS, en
appuyant sur
Modifier les paramètres du BIOS
Grâce à la pile,
La chronologie des actions du BIOS au démarrage du PC est la suivante :
Les
actions du BIOS
Le Bios est capable de diagnostiquer un certain nombre de pannes. Pour nous en avertir, il émet des bips sonores via le haut parleur de l'unité centrale relié à la carte mère. Chacun de ces bips a une signification bien précise, et varie en fonction de la marque du Bios. (voir annexe D).
La présentation du Setup peut varier en fonction du constructeur (Award, Phoenix, …) et de la version du BIOS utilisée. Prenons l’exemple des quatre PC que nous utilisons depuis le début pour illustrer cette partie consacrée au matériel. Les principaux menus du Setup sont les suivants (BIOS Award) :
·
Standard CMOS Setup
C’est ici que l’on règle la date et l’heure, mais aussi la présence des disques durs (détection automatique ou pas), l’indication de la présence d’un lecteur de disquette, etc.
