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Architecture matérielle

Cette documentation a été écrite il y a bien longtemps et n'est plus mise à jour. Comprenez que les informations que vous y trouverez peuvent avoir changé de manière conséquente !

I- Introduction:

Un ordinateur est une machine électronique qui comporte de nombreux composants. C'est pour cette raison que l'on ne peut pas définir une machine seulement par quelques caractéristiques mais que l'on est obligé de connaître en détail chacun des éléments.

On a tendance à appeler les ordinateurs « PC » mais c'est un abus de langage, il y a plusieurs types de machines parmi lesquelles le PC est le modèle le plus courant:

  • AMIGA

  • ATARI

  • Apple

  • PC

  • Stations Sun

  • Stations Alpha

  • ...

On distingue les éléments internes à l'unité centrale que l'on appelle les composants, des éléments externes qu'on appelle souvent périphériques.

Composants :

Les composants minimum pour qu'une machine puisse fonctionner sont:

  • Carte mère : C'est la carte principale de l'ordinateur, là où sont connectés tous les autres composants (disque dur, processeur, cartes filles mémoire vive)
  • Processeur : C'est le composant qui effectue tous les son ventilateur calculs. On le compare souvent au cerveau de l'ordinateur.
  • Alimentation C'est l'alimentation qui fournit aux composants un courant continu. Il convertit le courant alternatif de 220V en SV ou 12V pour certains périphériques.
  • Mémoire Vive : C'est elle qui stocke les données en cours d'utilisation, en attendant qu'elles soient traitées par le processeur puis par les autres éléments.
  • Carte graphique : C'est la carte qui traite les données graphiques et les renvoie vers l'écran.

Les composants et périphériques très utiles sans être obligatoires sont les suivants:

  • Boîtier : C'est de lui que dépendent l'aération, la place entre les périphériques, le bruit.
  • Disque dur : C'est le périphérique sur lequel on stocke toutes les données (système, logiciels, fichiers, ... ).
  • Clavier et souris Les périphériques d'entrée les plus courants.
  • Écran : Périphérique d'affichage. Plat (TFT ou LCD) ou à tube (CRT).
    Carte réseau : C'est une carte fille qui permet de se connecter à un réseau local ou directement à un modem.

Voici les autres périphériques que l'on rencontre partout:

Imprimante, scanner, carte son et enceintes, souris et clavier, appareils photos numériques, webcams, clés USB, disques durs externes, ...

Configurations possibles:

En fonction de l'utilisation future de la machine, la configuration va être différente. On peut distingue cinq types de configuration :

| Utilisation | Type de machine | Caractéristiques | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Bureautique | PC pour une | Écran, Clavier, | | | utilisation de | Souris confortables. | | | logiciels bureautique | | | | (secrétariat, par | Silencieux. | | | exemple). On | | | | recherche un certain | Prend peu de place. | | | confort. | | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Utilisation | Type de machine | Caractéristiques | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Multimédia | Utilisation de | RAM importante, | | | logiciels de création | disque dur de grande | | | multimédia, souvent | taille, cartes | | | gourmands en | graphique et carte | | | ressources. | son avec écran et | | | | enceintes de bonne | | | | qualité | | | | | | | | Périphériques | | | | spécifiques (tablette | | | | graphique, scanner, | | | | ...) | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Jeux | Ce sont les | RAM importante, | | | ordinateurs sur | disque dur de grande | | | lesquels on joue qui | taille, très bonne | | | requièrent le plus de | carte graphique, | | | ressources | processeur rapide, | | | | ... | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Mobilité | Spécifique pour les | Batterie permettant | | | portables : | une grande autonomie, | | | Ordinateurs qui | légèreté. | | | doivent être | | | | utilisables | Carte WiFi | | | n'importe où. | | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | Serveur | Selon le service et | Très bonne carte | | | le nombre de clients, | réseau. | | | on peut utiliser un | | | | vieux PC ou une | Double alimentation, | | | machine très | double carte réseau, | | | puissante. | disques hotplug en | | | | rack, ... | | | Pas de panne ! | | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+

II- La carte mère :

C'est le composant central de l'ordinateur puisque c'est sur lui que sont reliés tous les composants. On peut distinguer une carte mère d'une autre de plusieurs façons:

  • L'encombrement

  • Le socket

  • Le chipset

  • L'horloge, le CMOS et le BIOS

  • Les slots et ports qu'elle contient

  • Les bus

L'encombrement:

Il existe plusieurs normes de cartes mère. Quand ces normes changent, c'est à la fois les dimensions, l'alimentation, la disposition des composants, la ventilation qui peuvent changer :

  • AT et AT Baby: De la génération 286 à 486 environ, c'est le format standard.

  • LPX : Date de 1987 : Format utilisé notamment par Compaq et Packard Bell, dont la carte mère ne contenait que le processeur et le chipset, tandis que les slots et ports étaient sur une carte fille.

  • NLX : Date de 1997, suite du LPX intégrant les nouveaux matériels (AGP, USB, ... ).

  • ATX : C'est le format le plus rencontré depuis la première génération de Pentium. C'est le successeur de l'AT, qui améliore la ventilation, l'ergonomie et l'installation de composants (plus de place entre les composants).

  • MicroATX et FlexATX : Extensions de l'ATX pour des formats de petits boitiers.

  • BTX : Successeur de l'ATX qui a eu une durée de vie très courte. Il prévoyait un changement de position des éléments pour une meilleure ventilation, moins de bruit et une taille réduite par rapport à l'ATX. Les technologies de processeurs ayant permis un meilleur refroidissement, AMD puis Intel ont décidé d'en revenir à l'ATX qui reste le standard.

Le socket :

Une carte-mère ne peut pas accueillir tous les processeurs. Cela signifie que l'on doit déjà avoir une idée du type de processeur que l'on veut utiliser avant de choisir une carte mère.

L'endroit qui reçoit le processeur est appelé le socket. Voici les principaux socket que l'on trouve actuellement et les processeurs qui vont avec:

----------------- -------------- ------------------------------------------------------
Socket            Constructeur   Processeurs pouvant être associés
462               AMD            Athlon MP et XP, Sempron, Duron
478               Intel          Celeron 4 et D, Pentium 4
479               Intel          Pentium M
603, 604 et 771   Intel          Xeon
754               AMD            Athlon 64, Sempron
775               Intel          Celeron D, Pentium 4, Core 2 Duo, Pentium Extreme Ed
939               AMD            Athlon 64
940 et F          AMD            Opteron
AM2               AMD            Sempron, Athlon 64, Athlon 64 X2
----------------- -------------- ------------------------------------------------------

Le chipset :

C'est le jeu de composants qui permet de coordonner les échanges entre les composants et périphériques de l'ordinateur. Il fait le lien entre le processeur et les autres périphériques.

Deux circuits sont particulièrement importants : Le north bridge (pont nord) fait le lien entre le processeur et la mémoire tandis que le south bridge gère les entrées / sorties.

Ci contre, un exemple de chipset Intel 925 :

Le pont nord est entre le processeur, la carte graphique et la RAM.

Le pont sud gère toutes les autres entrées/sorties.

Horloge, pile, CMOS et BIOS :

L'horloge en temps réel (RTC : Real Time Clock) est un circuit chargé de synchroniser les signaux du système. Plus sa fréquence est élevée et plus le nombre d'informations qui peuvent être traitées est grand. Une pile permet d'alimenter cette horloge même quand l'ordinateur est hors tension.

Le CMOS, est une mémoire dans laquelle sont stockées les informations de base de l'ordinateur.

Le BIOS (Basic Input/Output System) est un programme installé sur la carte mère directement (en ROM) et qui permet de configurer le matériel de votre machine. Il lit dans le CMOS la configuration matérielle de votre ordinateur et offre une interface pour paramétrer. En général, on appuie sur SUPPR au démarrage pour pouvoir entrer dans la configuration du BIOS. Tous les changements sont enregistrés dans le CMOS.

Il existe de nombreux BIOS, toujours améliorés par les constructeurs. On peut flasher les BIOS, c'est à dire réinstaller un nouveau BIOS à la place de l'ancien. Cette opération est tout de même dangereuse car sans ce système rien ne peut fonctionner sur l'ordinateur. Certains constructeurs fournissent des logiciels capable de sauvegarder et restaurer des BIOS ou encore d'aller vérifier si il existe des versions plus récentes du BIOS sur Internet.

D'une manière générale, ne flashez un BIOS que si c'est absolument nécessaire !

Les bus :

Les bus sont des liaisons physiques qui permettent d'acheminer les données d'un composant à l'autre. Ce sont les autoroutes de la carte mère. Il existe de nombreux types de BUS. Un bus est caractérisé par :

  • sa largeur (en bits) : C'est le nombre de fils qui peuvent transporter des bits en même temps. Ce sont des puissances de 2.

  • sa fréquence (en Mhz) : C'est le nombre de données qui peuvent être envoyés en un temps donné sur le bus. Chaque envoi ou réception correspond à un cycle.

A partir de ces deux données, on peut définir la bande passante d'un bus.

Par exemple, un bus de 32 bits cadencé à 133 Mhz a pour bande passante:

32 * 133 000 000 = 425 600 000 bits / seconde

soit 425 600 000 / 8 = 53 200 000 octets / seconde = 53 Mo/s

Plusieurs technologies permettent d'augmenter les débits :

  • DDR (Double Data Rate) : Double la bande passante en utilisant à la fois le flanc montant et le flanc descendant des impulsions d'horloge. Cette technologie est utilisée par les FSB, certaines mémoires vives (DDR SDRAM), le bus AGP, ...

  • QDR (Quadruple Data Rate) : Sur le même principe, permet de quadrupler la bande passante.

  • Le self-clocking (ou auto-synchronisation) permet aux connexions de se synchroniser elles-mêmes.

Pour que le processeur puisse communiquer avec la mémoire RAM, le FSB (Front Side Bus ou bus système) fait le lien entre les deux. Il est composé:

  • du bus d'adressage : qui transporte des adresses mémoire auxquelles le processeur veut accéder pour lire ou écrire.

  • du bus de données : qui transporte les données venant ou allant vers le processeur.

Le BSB (Back Side Bus ou bus processeur) relie le processeur et la mémoire cache de Niveau 2 (mémoire très rapide intégrée au processeur ou à la carte mère).

Voir le chapitre sur les bus

III- Le processeur:

Le processeur (CPU) est le composant le plus connu de l'ordinateur. Il lit des suites d'instructions, les interprète et les exécute. Sa caractéristique la plus connue est la fréquence mais plusieurs éléments sont à prendre en compte:

  • La fréquence

  • La mémoire cache

  • La finesse de la gravure

  • Les constructeurs et les technologies qu'ils utilisent

La fréquence :

Le micro processeur est constitué d'une horloge interne qui rythme l'exécution des instructions. Plus la fréquence de l'horloge est élevée, plus le processeur peut traiter d'instructions en un temps donné.

La fréquence se calcule en Mhz ou Ghz, et une autre unité est utilisée pour définir le nombre d'instructions par secondes : le MIPS (Million d'Instructions Par Seconde).

On considère qu'un processeur cadencé à 3 Ghz est capable de traiter 3 millard d'instructions par seconde (3000 MIPS).

A l'heure actuelle, les fréquences les plus hautes sont de 3,6 Ghz.

La mémoire cache :

Cette mémoire permet au processeur de stocker certaines données dont il a besoin régulièrement. Elle est particulièrement utilisée quand un périphérique plus lent veut envoyer ou recevoir des données du processeur. C'est un mémoire à accès très rapide.

Il existe plusieurs niveaux de cache:

Le cache de niveau 1 (L1) est implanté dans le processeur depuis la génération des 486. Sa taille varie en fonction des processeurs et peut atteindre 256Ko

Le cache de niveau 2 (L2) est extérieur au processeur. Il a d'abord été implanté dans les cartes mères, puis intégré aux boîtiers des processeurs depuis les Pentium 2 et K6-2. Sa taille est actuellement comprise entre 256 Ko et 4 Mo.

Le cache de niveau 3 (L3) est beaucoup plus rare, implanté sur les processeurs de serveurs ou de stations de travail. Sa taille varie de 1 Mo à 8 Mo.

La gravure :

La gravure d'un processeur définit la finesse avec laquelle la puce a été créée. Le principal problème du processeur est que plus il est rapide et plus il chauffe.

Il a donc fallu graver les puces de façon toujours plus fine pour réduire la surface des circuits. Il en résulte un refroidissement supérieur donc la possibilité d'augmenter la fréquence, de rajouter de nouveaux circuits ou de réduire les coûts de fabrication.

Le standard actuel est une gravure à 0,09 µm et les processeurs les plus récents sont gravés en 0,06 µm (Intel).

Les technologies :

Dans les années 90, on a opposé deux grandes technologies de processeurs: ClSC et RISC.

CISC : Les premiers processeurs sont de technologie ClSC (Complex Instruction Set Computer). Ils peuvent traiter des instructions complexes, qui sont directement imprimées sur la puce. Cela permet de gagner en rapidité mais les instructions peuvent être plus lentes à traiter du fait qu'elles peuvent prendre plus d'un cycle d'horloge et que l'on ne peut pas traiter plusieurs instructions en même temps.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) : C'est l'inverse du ClSC : pas d'instructions complexes câblées, cela nécessite des programmes avec des instructions plus simples. Les compilateurs doivent être plus puissants et les programmes plus difficiles à développer. Les instructions, plus simples, sont exécutées en un seul cycle d'horloge donc gain de rapidité, d'autre part ces processeurs peuvent exécuter plusieurs instructions en même temps. Utilise plus de mémoire vive.

Comparaison : Jusqu'à la génération des 486, les processeurs sont de type CISC. Les PowerPC (Apple) et les Sparc (Sun) notamment sont de technologie RISC. Depuis les 586, on utilise plutôt la technologie ClSC avec d'autres technologies qui interviennent et permettent d'ajouter les avantages du RISC.

Parallélisme : Utilisé pour les serveurs, le but de cette technologie est de pouvoir installer plusieurs processeurs sur une même machine et leur faire partager le travail sur un même programme, chaque processeur étant chargé d'une tâche.

Pipeline : Pour chaque instruction, le processeur effectue un ensemble de tâches, ici 3 :

Cycle 1il prend la donnée 1

Cycle 2il décode la donnée 1

Cycle 3 il traite la donnée 1

Le pipelining permet de créer une file d'attente en mémoire cache. Pendant que le processeur exécute une tâche, une autre instruction est mise à sa disposition. Ainsi il peut faire se chevaucher les instructions :

Pipeline 1 Pipeline 2 Pipeline 3

Cycle 1il prend la donnée 1

Cycle 2il prend la donnée 2 il décode la donnée 1

Cycle 3il prend la donnée 3 il décode la donnée 2il traite la donnée 1

L'architecture super scalaire permet de traiter des données dans plusieurs unités arithmétiques et logiques en même temps (parallélisme au sein d'un même processeur). Exemple: l'hyper threading de Intel.

Pipeline 1 Pipeline 2 Pipeline 3

Cycle 1il prend la donnée 1

Cycle 1il prend la donnée 1

Cycle 1il prend la donnée 2 il décode la donnée 1

Cycle 1il prend la donnée 2 il décode la donnée 1

Cycle 1 il prend la donnée 3 il décode la donnée 2il traite la donnée 1

Cycle 1 il prend la donnée 3 il décode la donnée 2il traite la donnée 1

L'architecture Super pipeline est une extension du super scalaire, elle découpe les traitements en plus petites étapes. Cela n'accélère pas les traitements à proprement parler mais ça permet de mieux remplir chaque cycle.

Aujourd'hui tous les microprocesseurs sont pipelinés :

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Processeur                 Taille du pipeline
Intel Pentium 4 Prescott   31
Intel Pentium 4            20
Intel Core 2 Duo           14
Intel Pentium II           14
AMD Opteron                12
AMD Athlon 64              12
Intel Pentium III          10
Power PC G4                7
IBM Power4                 12
IBM Power5                 16
IBM PowerPC 970            16
Sun UltraSPARC III et IV   14
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L'architecture à double coeur est la dernière progression en ce qui concerne les processeurs. Sachant qu'il va devenir très difficile techniquement d'augmenter encore les fréquences, les processeurs les plus modernes sont dotés de deux unités de calcul qui travaillent en parallèle sur le même principe que les ordinateurs bi-processeurs. Exemples :

Intel avec le Core 2 Duo et AMD avec le Athlon 64 X2

Historique des processeurs par constructeurs :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_de_microprocesseurs

Unités fonctionnelles des processeurs :

Unité de contrôle :

Cette unité prend les données qui arrivent, les lit, puis les décode. Elle contient le séquenceur qui permet de synchroniser les instructions gràce à une horloge.

Unité de traitement (unité d'instruction) :

Elle permet d'effectuer des calculs simples gràce à l'unité arithmétique et logique. (AUL). L'unité de virgule flottante (FPU) permet de faire des calculs complexes de nombres à virgules.

Enfin les registres sont des mémoires spécifiques au processeurs (très petites et très rapides) permettant de stocker les instructions servant au traitement des données. On distingue le registre d'adresses, le registre d'instruction, le registre d'état et l'accumulateur.

Unité de gestion des entrées-sortie :

Elle gère la communication directe avec le mémoire vive. Le processeur peut envoyer par cet intermédiaire des ordres aux entrées et sorties de l'ordinateur.

IV- Les mémoires :

J'ai déjà évoqué certaines mémoires:

  • La mémoire morte (ou ROM : Read Only Memory) dans laquelle on ne peut pas écrire et qui sert par exemple à stocker le BIOS.

  • La mémoire cache : Qui est la plus rapide des mémoires et qui sert de tampon pour un composant (par exemple la cache L 1 et L2 du processeur).

Les machines ont aussi besoin d'autres mémoires:

  • La mémoire vive (ou RAM : Random Access Memory) : C'est celle qui stocke toutes les données venant ou allant vers le processeur. On peut écrire dedans mais elle est volatile, les données ne sont pas gardées et elle est vidée à chaque redémarrage de la machine.

  • La mémoire de masse : C'est dans ce type de mémoire que l'on peut stocker des données. Elle n'est pas volatile, les donneés sont gardées même après réinitialisation de la machine.

Les mémoires vives :

La mémoire vive sert à stocker toutes les données dont l'ordinateur a besoin : Système, programmes, fichiers, ...

On dit qu'elle est à accès aléatoire (Random Access Memory) car un programme qui a besoin de place en mémoire va prendre une place au hasard, puis va la libérer quand il n'en aura plus besoin.

Les caractéristiques d'une mémoire sont : son format, sa taille, son temps d'accès, sa fréquence.

Il existe de nombreux formats de RAM.

Les ROM

Les mémoires ROM (Read Only Memory) sont des mémoires non volatiles. Ce sont des mémoires dans lesquelles on ne peut a priori pas écrire de données. On ne peut que lire ce qui est écrit dedans. Elles sont utilisées pour les programmes que l'utilisateur n'a pas a modifier, le meilleur exemple étant le BIOS.

ROM

Dans la mémoire ROM de base, le programme est gravé directement en binaire sur le composant.

PROM

La PROM (Programmable ROM) ne peut être programmée qu'une seule fois par l'utilisateur. Elle contient des fusibles qui peuvent être grillés (0) ou pas (1). C'est une programmation physique.

EPROM

Les EPROM (Erasable PROM) peuvent être effacées pour pouvoir les reprogrammer. Pour reconstituer les fusibles on utilise des rayons UV d'une longueur d'onde particulière. L'utilisateur standard ne peut donc pas écrire dans ces mémoires.

EEPROM

Les mémoires EEPROM sont des mémoires qui peuvent être effacées électriquement. Il n'y a pas besoin de retirer le composant de l'ordinateur.

Flash ROM

Les mémoires Flash ROM sont des variantes des mémoires EEPROM. Elles sont devenues le standard actuel en ce qui concerne les mémoires mortes. Actuellement, elles peuvent contenir jusqu'à 8 Go pour le moment. On en trouve sur de nombreux composants et périphériques :

  • La carte mère y stocke le BIOS que l'on peut maintenant « flasher »

  • Les cartes filles en utilisent pour stocker leurs configurations (carte vidéo, carte LAN, ... )

  • Les périphériques externes (appareils photos numériques, clés USB, ... )

Les cartes Flash :

Les mémoires de masse: Les CD-ROM

Le CD-Rom a été créé par Sony en 81. Il est devenu un média de stockage de données très répandu. Sur un CD-ROM standard on peut stocker 700 Mo de données ce qui équivaut à 80 minutes de musique.

Un CD est composé de plusieurs couches de matières différentes:

Au dessus, on peut trouver une face imprimée qui n'est pas obligatoire.

En dessous de cette couche on trouve une laque protectrice.

La couche métallique est réfléchissante et contient des trous permettant de distinguer les 0 et les 1. Elle est composée d'un alliage d'or ou d'argent.

Enfin sur le dessous, une couche de polycarbonate transparent protège la couche métallique.

Le laser passe a travers la couche de polycarbonate et touche la couche métallique. Selon la quantité de lumière qui lui est renvoyée, il sait que c'est un 1 ou un O.

La diode laser envoie un rayon vers un miroir (à gauche) qui le réfléchit jusqu'à la couche métallique du CD. Si il s'agit d'un creux la lumière n'est pas assez réfléchie. Si ce n'est pas un creux, la lumière fait le chemin inverse: Elle revient vers le miroir, puis vers un miroir semi-réfléchissant (à droite) qui donne le résultat à la cellule photo électrique.

Les CD achetés dans le commerce sont pressés, c'est à dire que la couche métallique contenant les trous est créée à partir d'un moule.

Gravure :

Les graveurs de CD ne permettent pas de créer une structure métallique avec des creux. Il y a donc une couche de plus qui est une couche de colorant. Quand on grave le CD, le laser brûle cette couche et les parties brûlées ne vont donc pas laisser passer la lumière contrairement aux parties non brûlées.

Les CD contiennent 22188 pistes - qui n'en sont en fait qu'une seule gravée en spirale.

Les données ne peuvent pas être écrites n'importe comment sur le CD. Il existe des standards qui définissent la façon d'écrire un CD :

Le livre rouge définit le format des CD audio (échantillonnage à 44 100 Hz en 16 bits stéréo)

Le livre jaune définit le format des CD-ROM qu'il divise en 2 modes:

Mode 1 : Stockage de données avec correction des erreurs (ECC)

Mode 2 : Données images, sons ou vidéos compressés

Le livre orange définit le format des CD inscriptibles avec notamment le CD-R et le CD-RW

Un CD-R contient les 3 zones suivantes:

Lead-in : C'est la zone de départ du CD, celle qui permet au lecteur de bien démarrer au bon endroit et de se synchroniser. Elle contient la table des matières (table of contents)

Zone programme : C'est la zone qui contient les données proprement dites.

Lead-out : Pour finir le CD, la zone de lead-out contient l'équivalent de 90 secondes de données nulles.

Il Y a plusieurs façon de graver un CD :

Mono-session : Ils ne permettent que de créer une seule session sur le CD donc on peut pas graver le CD en plusieurs fois.

Multi-session : Ils permettent de graver un CD en plusieurs fois, pour cela il y a une table des matières crée pour chacune des sessions.

TAO (Track At Once) : Pour les CD audio, cela permet de graver avec une pause de 2 secondes entre chaque morceau.

DAO (Disc At Once) : Dans ce type de gravure, il n'y a pas de pause entre les morceaux, le disque est gravé en un seul morceau.

Le débit initial d'un lecteur de CD (1x) est de 150 ko/s.

Un lecteur 40x permet donc 40x150=6000 ko/s.

Les mémoires de masse: Les DVD

Les DVD ont été créés pour remplacer les CD, permettant une capacité de stockage plus importante. Cette capacité de stockage est variable selon de type de DVD :

simple face, simple couche (DVD-5) :4.7 Go = 9h30

simple face double couche (DVD-9) :8.5 Go = 17h30

double face, simple couche (DVD-10) :9.4 Go = 19h

double face, double couche (DVD-17) : 18 Go = 35h

Les DVD double couches utilisent deux couches métalliques l'une par dessus l'autre : la première est en or et est translucide. La deuxième est en argent et est complêtement réfléchissante. Pour lire la première, le laser envoie un rayon de plus faible puissance et inversement pour la deuxième. La spirale de la deuxième couche est créée à l'inverse de celle de la première pour éviter le temps d'attente trop long entre les deux.

Il existe 3 formats de DVD qui peuvent être considérés comme des supports différents :

DVD-R(W) (qui est plus compatible avec les DVD de salon), DVD+R(W), DVD-RAM

Les mémoires de masse: Les lecteurs ZIP ou JAZZ

Ces lecteurs sont comparables à des lecteurs de disquettes et sont plutôt dédiés à la sauvegarde individuelle d'un poste de travail, quand on ne possède pas de sauvegarde centralisée en réseau.

On peut les trouver en interne (interface IDE) ou en externe (USB ou FireWire).

Les disquettes ZIP peuvent faire 100, 250 ou 750 Mo pour les plus grandes.

Aujourd'hui on préfère les supports CD, DVD ou encore les disques durs externes.

Les mémoires de masse : Le disque dur

Les disques durs sont des mémoires de masse (non volatiles). Bien sûr le principal critère permettant de choisir un disque dur est sa taille de stockage, mais sa vitesse de rotation et le nombre de plateaux sont aussi très importants, ainsi que son interface.

Le disque dur est composé de :

  • plusieurs plateaux sur lesquels sont écrites les données

  • Une tête de lecture par plateau

  • Un moteur de rotation des plateaux

  • Un moteur de rotation des têtes

  • Des composants électroniques pour le contrôleur

Actuellement la vitesse de rotation du moteur de rotation des plateaux peut atteindre 7200 tpm, voire 10000 tpm ou 15000 tpm pour les disques durs les plus rapides.

Un disque dur est composé de plusieurs plateaux. Un plateau est un disque (en général en métal, en verre ou en céramique) sur lequel les têtes de lectures situées de part et d'autre écrivent ou lisent sur la surface des plateaux.

Lecture et écriture:

Les têtes de lectures sont capables de créer un champ magnétique. Elles créent donc pour l'écriture des champs positifs ou négatifs, qui seront par la suite interprétés en lecture par des 0 et des 1.

Les têtes de lecture peuvent lire les pistes de tous les disques en même temps. On appelle cylindre l'ensemble la même piste de tous les plateaux:

Chaque plateau est divisé en pistesChaque piste contient un certain nombre de secteurs (clusters) selon le formatage:

Le formatage est l'opération qui permet de réinitialiser tout ou partie du disque dur. Il faut distinguer le formatage :

  • de haut niveau : le plus connu, qui se fait avec des logiciels comme fdisk ou partition magic. Il permet de supprimer et de ré-écrire un système de fichier (FAT, NTFS, EXT2, ... )

  • de bas niveau : il se fait au niveau physique, supprime les partitions, les systèmes de fichiers, le MBR et réinitialise tout le disque cluster après cluster, ce qui permet quand le disque est abîmé de récupérer les clusters perdus.

Les différentes interfaces :

L'interface historique est l'IDE (ou ATA)

Le SCSI est surtout utilisé pour les serveurs et stations de travail

Le Serial ATA (SATA I et SATA II) est en train de remplacer l'IDE.

Voir chapitre sur les bus.

La mémoire cache :

D'autre part, les disques durs possèdent comme d'autres composants une mémoire cache, qui permet d'accélérer les traitements. La taille se situe actuellement entre 4 et 16 Mo.

Le RAID:

Le RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) sert à assurer la sécurité des disques durs. C'est un système qui permet de faire des sauvegardes d'un disque vers d'autres pour anticiper les pannes et donc les pertes de données.

Il existe plusieurs niveaux de RAID, ce qui change c'est la façon dont les données sont réparties sur les disques:

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Nom                  Description
RAID 0 (Striping)    Toutes les données sont réparties sur plusieurs disques mais il n'y a pas de redondance, donc pas de tolérance aux pannes. Si un disque tombe en panne, toutes les données de ce disque disparaîtront.
RAID 1 (Mirroring)   Les données d'un disque sont systématiquement copiées sur un autre disque, donc en cas de panne, on peut toujours retrouver les données. Cependant, on utilise 2 fois plus de disques physiques donc le coût est important.
RAID 2               Utilisait un contrôle d'erreur par ECC mais c'est aujourd'hui, directement intégré dans les contrôleurs RAID.
RAID 3               Les données sont réparties en octets sur plusieurs disques et on ajoute un disque qui contient le contrôle de parité et qui sera capable de restaurer les données. Impossible de restaurer les données si 2 disques tombent en panne.
RAID 4               Cette fois les données ne sont plus stockées en tant qu'octets mais en tant que blocs. Le système reste le même que pour le RAID 3, un disque contrôle la parité et restaure en cas de besoin. La restauration est plus rapide car les blocs étant plus gros, il n'a pas forcément besoin d'aller chercher sur tous les disques.
RAID 5               Le système est le même que pour le niveau 4 mais cette fois, la parité est dispersée sur plusieurs disques. Les performances sont proches de RAID 0 mais avec une grande tolérance aux pannes.
RAID 6               Extension du RAID 5, il utilise 2 fonctions de parités pour prévenir une panne de deux disques en même temps. Il faut donc au moins 4 disques au total.
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V- Les principaux bus:

Une interface est un élément physique qui permet de faire le lien entre deux matériels. Par exemple pour inter connecter une imprimante et l'unité centrale, on utilise une certaine interface (un câble d'un certain type). Les principales interfaces que l'on utilise actuellement sont :

  • L'interface série

  • L'interface parallèle

  • L'interface USB

  • L'interface Firewire

  • L'interface ATAPI ou E-IDE

  • L'interface SCSI

  • L'interface SATA

  • Les interfaces ISA, PCI, AGP et PCI Express

Le port série:

C'est le premier port qui a été créé pour faire communiquer l'ordinateur avec le monde extérieur. Très souvent les connecteurs série sont intégrés à la carte mère.

La liaisons séries transfèrent les bits les uns après les autres à travers le câble. Les données sont transférées de façon asynchrone (aucune horloge ne règle le transfert). A la fin de la transmission, ils sont reconstitués en utilisant une méthode de vérification des erreurs pour vérifier que tout s'est bien transmis (un bit de début et un bit de fin pour chaque octet transmis).

Du côté de la carte mère, il s'agit du connecteur mâle (avec les broches apparentes).

Les systèmes d'exploitation les appelle souvent port COM. On les utilise encore pour certains périphériques (comme les modems RTC ou certaines souris) mais actuellement, ils sont remplacés par l'USB.

Au niveau des performances, ce type de liaison n'est pas très rapide. On ne peut pas dépasser 100 Ko/s.

Le port parallèle:

L'interface parallèle a été créée pour permettre d'envoyer des données sur plusieurs fils en même temps. Ainsi on peut transférer 8 bits à chaque fois. Par contre, ce type de liaison est cadencé par une horloge, il fonctionne donc en mode synchrone.

Les systèmes d'exploitation les appelle souvent LPR. Le principal périphérique qui y est connecté est l'imprimante.

Par la suite, des ports parallèles bidirectionnels ont été créés pour pouvoir à la fois envoyer et recevoir des données. Les premiers débits étaient de 2,4 Mb/s.

Les ports parallèles EPP (Port parallèle amélioré) et ECP (Port à capacité améliorée) atteignent des débits de 8 à 16 Mb/s et sont plug and play.

Le bus USB :

L'USB (Universal serial bus) est un bus série beaucoup plus rapide que l'interface série traditionnelle. L'avantage d'une architecture en série est le prix du câble et le fait que la cadence d'horloge peut être beaucoup plus élevée que l'architecture parallèle car à haut débit cette dernière crée des décalages entre les huit fils de données.

Depuis plusieurs années, il est apparu comme le standard des interfaces externes:

  • Il est rapide

  • Il est hot plug

  • Il est plug and play

  • On en trouve sur tous les ordinateurs

  • Il alimente en électricité les périphériques (jusqu'à 15W)

Il existe deux grands standards de l'USB :

USB 1 et 1.1 :1.5 Mb/s à basse vitesse

12 Mb/s à haute vitesse

USB 2 : 480 Mb/s

Attention, depuis fin 2002 on appelle n'importe quel élément « USB2 ».

Il faut faire la différence entre:

USB2 Full Speed : 12 Mb/sUSB2 Hi Speed : 480 Mb/s

Le bus USB utilise 4 fils :

Deux fils de données (V+ et V-)

La masse

L'alimentation (VBUS)

Le bus FireWire :

Le bus FireWire (ou FiWi) est semblable au bus USB dans la mesure où il a à peu près les mêmes propriétés :

  • Il est rapide (encore plus que l'USB)

  • Il est « hot plug » et « plug and play »

Le terme « FireWire » a été inventé par Apple mais par abus de langage, le bus IEEE 1394 a pris ce nom. Sony a aussi créé un bus IEEE 1394 qu'il a appelé i-Link.

Les débits du FireWire sont très importants:

  • Pour la version IEEE 1394a :

IEEE 1394a-S100: 100 Mbit/s

IEEE 1394a-S200: 200 Mbit/s

IEEE 1394a-S400: 400 Mbit/s

  • Pour la version IEEE 1394b :

IEEE 1394b-S800: 800 Mbit/s

IEEE 1394b-S1200 : 1200 Mbit/s

IEEE 1394b-S1600 : 1600 Mbit/s

IEEE 1394b-S3200 : 3200 Mbit/s

Étant donné les possibilités du FireWire en terme de débit, il est surtout utilisé pour les gros transferts de données comme les vidéos.

Le câble ressemble à l'USB :

  • Deux fils pour les données

  • Deux fils pour les horloges

  • Deux fils pour l'alimentation

Le bus FireWire peut fonctionner en mode:

asynchrone: Les données sont envoyées à n'importe quel moment sur le bus mais on utilise un accusé de réception pour vérifier l'intégrité.

Isochrone: Les données sont envoyées toutes les 125 µs. On évite ainsi d'utiliser de la bande passante pour l'accusé de réception.

Le bus ATA ou IDE :

On rencontre ce type d'interfaces pour connecter la plupart des disques durs et des lecteurs / graveurs de CD ou DVD. Ce bus a été créé en 94 pour connecter les disques durs. Une extension (ATAPI) a ensuite été créée pour permettre l'adaptation des lecteurs de CD-ROM.

La nappe ATA possède 3 connecteurs, on peut donc y mettre 2 périphériques. Dans ce cas, l'un des périphériques doit être déclaré maître et l'autre esclave grâce aux cavaliers (jumpers) présents sur le périphérique.

Modes de transmission :

Modes PlO :

Avec ce mode, les échanges de données avec la mémoire vive se fait en passant par le processeur. Cela peut donc prendre beaucoup de ressources au processeur lors de gros transferts de données. Les débits vont de 3,3 Mo/s (Mode 0) à 16.7 Mo/s (Mode 4)

Modes DMA :

Pour éviter les problèmes d'engorgement au niveau du processeur, le mode DMA a été créé pour transférer directement les données du périphérique vers la RAM. On distingue les modes single word (un mot de 16 bits à la fois) et multi word (plusieurs mots à la fois !).

Single word ( Mo/s)Multi word ( Mo/s)

Mode 0 : 2.1Mode 0 : 4.2

Mode 1 : 4.2Mode 1 : 13.3

Mode 2 : 8.3Mode 2 : 16.7

Modes UltraDMA :

Pour augmenter le débit de données, l'ultra DMA a été créé. Il utilise à la fois les flancs montants et les flancs descendants (tandis que le DMA n'utilisait que les flancs montants).

U-DMA Mode 0 : 16.7 Mo/sec

U-DMA Mode 1 : 25.0 Mo/sec

U-DMA Mode 2 : 33.3 Mo/sec

U-DMA Mode 3 : 44.4 Mo/sec

U-DMA Mode 4 : 66.7 Mo/sec

U-DMA Mode 5 : 100.0 Mo/sec

U-DMA Mode 6 : 133.0 Mo/sec

Actuellement, on ne trouve plus que des périphériques UDMA 100 ou 133.

Le bus SCSI :

Contrairement aux autres interfaces présentées, celle-ci n'est directement intégrée dans la carte mère. On doit d'abord installer sur un port PCI une carte fille appellée contrôleur SCSI.

L'interface SCSI permet d'installer différents périphériques:

  • Disques dur

  • Lecteurs de disquettes

  • Lecteurs/Graveurs de CD ou DVD

  • Lecteurs DAT

  • Imprimantes

  • Scanners

Sur les bus SCSI 8 bits on peut installer 7 périphériques, sur les bus 16 bits on peut en installer 15 (ce qui permet de faire des grappes de disques durs utiles pour les systèmes de sauvegarde).

3 normes SCSI se sont succédées :

SCSI 1 : Bus de 8 bits, 5 Mo/s

SCSI 2 : Bus de 8 ou 16 bits, 10 à 40 Mo/s

SCSI 3 : Bus de 8 ou 16 bits, 40 à 640 Mo/s

Le bus SATA :

L'interface serial ATA a été créée pour les disques dur, pour à terme remplacer l'interface ATA (IDE). Contrairement au ATA, il fonctionne en série.

Les avantages par rapport au ATA sont les suivants :

  • Plus rapide: 150 Mo/s pour le moment, 300 Mo/s pour le SATA Il et à terme 600 Mo/s

  • Câbles plus fin et plus souple: Il est beaucoup plus facile à mettre en place que la nappe de l'IDE d'une part, et permet une meilleure aération d'autre part.

  • Hot plug : Les disques durs sont (dé)branchables à chaud (sans éteindre l'ordinateur).

Le câble contient 7 fils : 3 sont consacrés à la masse et 4 sont utilisés pour les données.

Les bus pour cartes filles : ISA, PCI, AGP et PCI Express :

Le bus ISA :

Il date de 81 et n'est plus utilisé actuellement. Il a existé en version 8 bits et 16 bits pour des fréquences de 6 à 8,33 Mhz. Il a été remplacé à l'époque des Pentium par le bus PCI. Il permettait le bus mastering (accés aux autres composants sans passer par le processeur), c'est donc un début de DMA.

Le bus EISA a ensuite été développé pour une extension en 32 bits.

Le bus PCI :

Il a été développé pour doubler le bus ISA. Il est généralement large de 32 bits bien qu'il existe des versions 64 bits. La grande différence avec ISA outre le débit est le fait qu'il soit situé entre le pont nord et le pont sud. Il est aussi bus mastering : Les cartes PCI peuvent parler entre elles sans passer par le processeur.

Le bus AGP :

Il a été créé spécialement pour les cartes graphiques puisqu'elles sont les plus consommatrices en ressources. Il est géré par le pont nord et est directement relié au bus du processeur (FSB). Il est capable d'accéder directement à la mémoire centrale (DMA). Il existe 4 versions d'AGP : 1X, 2X, 4X, 8X allant de 266 Mo/s à 2,11 Gois

PCI Express :

Depuis 2004, le bus PCI Express est en train de prendre la place de l'AGP et du PCI. C'est un bus série, ce qui permet des débits plus élevés: entre 250 Mo/s et 8 Go/s.

Il existe plusieurs versions :

1X, 4X, 8X et 16X. Le 1X est utilisé pour les périphériques d'E/S à haut débit, tandis que le 16X est utilisé pour les cartes graphiques. Les versions 4X et 8X sont réservées aux serveurs.

VI- Cartes son :

La carte son est une carte fille capable de prendre les informations numériques venant de l'ordinateur et de les transformer en signal analogique compréhensible par des enceintes. Elle permet aussi d'entrer des informations analogiques d'un micro, vers des informations numériques sur le PC.

Les principales caractéristiques d'une carte son sont:

  • Les convertisseurs :

DAC : Convertisseur permettant la sortie du son vers l'extérieur (Digital to Analog Converter)

ADC : Convertisseur permettant d'intégrer du son dans le PC (Analog to Digital Converter)

Un convertisseur se caractérise par :

- Le Pas de quantification : nombre de bits utilisés pour coder l'amplitude du son à un instant donné. Avec 8 bits, vous avez 2^8 = 256 valeurs. Avec 16 bits, 2^16 = 65536 valeurs. La valeur la plus courante, mais aussi la valeur minimale acceptable, est 16 bits.

- La fréquence d'échantillonnage : Pour enregistrer un son audible dans toute sa splendeur (jusqu'à 20-22 kHz), on enregistre à 44,1 kHz ou 48 kHz (Loi de Shannon). Quand on fait du traitement audio (effets, filtres, ...) on échantillonne plutôt à 96 kHz pour avoir une marge de manoeuvre. Sur un CD, le son est en 44100 Hz.

- Le facteur de suréchantillonnage (oversampling) : C'est lui qui détermine la précision de l'enregistrement. Ainsi, une carte son bas de gamme peut très bien afficher "16 bits / 48 kHz" et enregistrer un son de mauvaise qualité. Attention, donc. Pour du 16 bits, un facteur de suréchantillonnage de 64X ou 128X devrait faire l'affaire.

- Le rapport signal / bruit : Celui-ci dépend des paramètres précédents, de l'isolation de la carte contre les parasites électromagnétiques, et d'autres nombreux facteurs.

  • Le DSP (processeur son) :

Processeur spécialisé dans le traitement des informations du son (echo, effets 3D, ...)

VII- Cartes graphiques :

La carte graphique est une carte fille capable de prendre les informations numériques venant de l'ordinateur et de les transformer en signal analogique compréhensible par un écran.

Les principales caractéristiques d'une carte graphique sont:

  • Le bus qu'elles utilisent

  • Le chipset graphique

  • La mémoire intégrée

  • Le processeur graphique

Les composants intégrés :

De la même manière que pour la carte mère, les cartes graphiques ont leur chipset, qui permet de coordonner les échanges entre les composants.

Vu les ressources que demandent les programmes actuels (surtout les jeux), la carte graphique intègre un processeur graphique, qui permet de soulager celui de la carte mère. On trouve très peu de chipset graphiques, les deux principaux fabriquants sont ATI avec la série des Radeon, par exemple, et Nvidia avec les Geforce.

Attention à ne pas confondre le fabriquant du chipset et la qui le commercialise. Plusieurs marques vendent des cartes à base de Radeon, par exemple :

ASUS V9570 Geforce FX 7000 GE 256

Le processeur graphique :

Ces processeurs sont spécialisés dans le traitement d'informations graphiques (instructions concernant la 3D, par exemple).

La mémoire video :

Les cartes graphiques embarquent une certaine quantité de mémoire vive dont les rôles sont : Dans un premier temps, il fallait qu'elles soient capables d'afficher des résolutions de plus en plus grandes et un nombre de couleurs croissant. Depuis l'arrivée de la 3D, cette mémoire a largement pour rôle de stocker des textures et d'utiliser des fonctions d'affichage.

Le RAMDAC :

C'est le composant chargé de transformer les signaux numériques en analogique. Plus il est rapide et plus le taux de rafraîchissement (nombre d'images par secondes) que supporte la carte est élevé. Random Access Memory Digital-Analog Converter.

Les interfaces :

L'interface habituelle est l'interface VGA (Bleue, 15 broches, femelle).

L'interface DVI envoie directement à l'écran des données numériques ce qui évite une conversion entre numérique analogique, puis analogique numérique.

Enfin, l'interface S-Video permet de sortir les images sur la télévision.

VIII- Les écrans

Actuellement on trouve deux types d'écrans, les écrans plats (ou LCD : Liquid Cristal Display) et les écrans à tube cathodique (CRT : Cathodic Ray Tube). On différencie les écrans par la norme qu'il acceptent (voir carte vidéo) et leur taux de rafraîchissement.

Taille et résolution :

Actuellement, la plupart des écrans ont une diagonale de 15", 17" ou 19". Ils permettent d'afficher des résolutions comprises entre 800600 et 16001200 (largeur X hauteur, toujours avec un rapport de 4/3).

Il faut aussi voir si la carte graphique est assez puissante pour afficher de grandes résolutions et beaucoup de couleurs (entre 16 couleurs et 16M = ce que voit l'oeil humain).

Fréquence et temps de réponse :

La fréquence verticale d'un écran représente la vitesse de déplacement du faisceau. Plus la résolution est grande, plus la fréquence doit être grande pour pouvoir afficher une surface plus grande sans gêner l'utilisateur.

Les fréquences actuelles sont situées entre 50 et 100 Hz.

Sur les écrans LCD, on s'intéresse au temps de réponse (entendez le temps de réponse à l'allumage d'une diode). Plus le temps de réponse est court, plus les diodes répondent vite quand on leur demande de s'allumer ou s'éteindre.

Actuellement, les temps de réponse courants sont de 30 ms à 8 ms.

Sur un écran à tube cathodique, on ne s'en occupe pas car le temps de réponse est quasi inexistant.

Écrans LCD:

Les écrans LCD n'utilisent pas un tube pour afficher une image mais des diodes lumineuses. Ils utilisent des cristaux liquides. Il existe deux types d'écrans LCD :

  • à matrice passive (DSTN) : Les pixels sont contrôlés par une ligne et une colonne, peu rencontrés actuellement car de qualité médiocre.

  • à matrice active (TFT) : les pixels sont contrôlés individuellement

IX- Les imprimantes :

Il existe de nombreux types d'imprimantes en fonction des besoins de l'utilisateur. Voici les types que l'on rencontre le plus souvent, les autres étant réservés pour les usages professionnels.

Imprimante à aiguilles (ou matricielles) :

Sur la tête d'impression, entre 9 et 32 aiguilles (qualité plus ou moins bonne) qui se déplacent et appuient sur un ruban imbibé d'encre. C'est un peu le même principe qu'une machine à écrire.

On ne rencontre plus ce genre d'imprimantes aujourd'hui.

Imprimante à jet d'encre:

Depuis les années 90, les imprimantes à jet d'encre se sont imposées comme standard d'imprimante personnelle. Elles sont relativement peu chères et de qualité correcte.

Le principe d'impression est le suivant: Il y a des réservoirs avec les couleurs, la tête d'impression est constituée de plusieurs canaux contenant de l'encre. L'encre est chauffée et dépose des gouttes sur le papier. Actuellement, les imprimantes sont assez précises pour offrir une qualité proche de la photo.

Imprimantes Laser

Les imprimantes laser fonctionnent avec une encre sous forme de poudre (le toner). Un laser dessine la page à imprimer sur un tambour photo-sensible et grâce à un dispositif électrique polarisant, la poudre vient se disperser sur les zones marquées par le tambour.

Les imprimantes laser sont très rapides, car elles impriment des pages et non pas des lignes. D'autre part elles permettent une grande qualité d'impression car elles sont très précises.