Les cours d' info

La Corse  

L' ASSE   

  Humour  

Le bus d'extension

Généralités

Un bus est un ensemble de "fils" chargés de relier les divers composants de l'ordinateur. Nous avons déjà vu cette notion de bus lors de l'étude de l'unité centrale de traitement où nous avons distingué les trois bus fondamentaux du processeur : bus de données, bus d'adresses, bus de commandes.

Cependant, les informations doivent non seulement circuler dans le microprocesseur, mais également à l'extérieur, de manière à communiquer avec la mémoire, les périphériques... On parle alors, dans le cas des micro-ordinateurs, du bus d'extension.

Un bus, d'une manière globale peut donc être caractérisé par :

• le nombre de fils employés : bus 8 bits, 16 bits...
• la nature des informations véhiculées : données, adresses, commandes,
• le fait qu'il fonctionne de manière synchrone avec le processeur ou de manière asynchrone,
• le fait qu'il soit "intelligent" (bus master) ou non.

Dans les tous premiers systèmes, les informations circulaient sur un ensemble de fils uniques mettant le processeur en relation avec la mémoire ou les entrées-sorties. Ainsi, un programme faisant de nombreux appels à la mémoire monopolisait ce bus unique au détriment des autres besoins d'utilisation de ce bus. Un premier palliatif a été de prévoir pour le processeur des accès directs à la mémoire au travers d'un canal DMA (Direct Memory Access). Cette technique est toujours en vigueur.

On a également réfléchi à une "séparation" des bus selon leur fonction de manière à obtenir des bus "spécialisés". On peut ainsi distinguer entre bus processeur, bus local, bus global et bus d'entrées-sorties.

Le bus processeur ou bus privé est le bus spécifique du microprocesseur.

Le bus local est une extension du bus privé, permettant de relier directement certains composants du système tels que la mémoire... au microprocesseur. C'est une notion assez ancienne, mais qui trouve un regain d'intérêt dans le monde des PC depuis quelques années.

Le bus global a pour rôle de relier entre elles les différentes cartes processeur dans une machine multiprocesseur.

Le bus d'entrées-sorties sert aux communications avec des périphériques lents.

Le bus, comme tous les autres composants a suivi une évolution historique, passant ainsi du bus ISA PC AT aux bus EISA, MCA, VESA et PCI.

Le bus ISA ou PC-AT

Le bus ISA (Industry Standard Architecture) reste l'un des standards les plus répandus en matière de bus. Ce bus est apparu en 1984 avec le micro-ordinateur IBM PC-AT d'où son surnom de bus AT ou AT-bus. Le processeur est alors un Intel 80286 fonctionnant à 8 MHz, et le bus est synchronisé avec le processeur - c'est-à-dire que les informations circulent à la même vitesse sur le bus extérieur au processeur et dans le processeur lui-même. Avec le bus ISA, les cartes d'extension doivent être configurées matériellement ce qui se fait généralement en positionnant des micro-switchs, ou en plaçant des cavaliers. Ce bus, d'une largeur de

Figure 1 - Le bus ISA ou AT-Bus

16 bits, autorise des taux de transfert allant jusqu'à 8 Mo/s.

Les processeurs qui vont succéder au 80286 sont des processeurs 32 bits, donc plus rapides, ce qui pose évidemment problème et oblige les constructeurs à concevoir un bus d'extension pouvant fonctionner à des vitesses différentes de celle du processeur. Se développent alors de manière concurrente, le bus MCA et le bus EISA.

Le bus MCA

Le bus MCA (Micro Channel Architecture) développé en 1987 par IBM pour ses nouveaux PS/2 marque une nette évolution. C'est un bus 32 bits, asynchrone, fonctionnant à 10 MHz, dit bus "intelligent" ou bus master. MCA est en effet capable d'exploiter des cartes munies de leur propre processeur et gérant leurs entrées-sorties sans que n'intervienne le processeur de la carte-mère, qui est donc libre pour assurer d'autres tâches.

De plus l'architecture MCA est indépendante du processeur. Il peut donc être utilisé avec des processeurs 386 sur les PS/2 ou des processeurs RISC sur les RS-6000.

MCA offre un taux de transfert de 20 à 50 Mo/s et supporte quinze contrôleurs "bus masterisés". Chaque carte d'extension est configurable par logiciel.

Toutefois MCA ne reconnaît pas les cartes au format ISA et son architecture complexe le rend coûteux à fabriquer. Il reste donc essentiellement utilisé par IBM.

Le bus EISA

Le bus EISA (Extended Industry Standard Architecture) est apparu en 1988 pour concurrencer le bus MCA développé par IBM. C'est un bus 32 bits, destiné à fonctionner avec les nouveaux processeurs 32 bits et prévu pour maintenir une certaine compatibilité avec le bus ISA, ce qui l'oblige à continuer à fonctionner à 8 MHz comme le bus ISA. Son taux de transfert est de 33 Mo/s (32 bits / 8 bits = 4 octets * 8 Mhz = 33 Mo/s).

EISA reprend certaines caractéristiques du bus MCA telles que la configuration logicielle des cartes d'extension et la notion de bus mastering. Les contrôleurs sont donc différents de ceux utilisés avec un bus ISA et plus coûteux.

Le bus VESA

La norme VESA (Vidéo Electronics Standard Association) Local Bus (VLB), apparue en 1993, définit dans sa version 1.0 les caractéristiques d'un bus local 32 bits, théoriquement extensible à 64 bits et fonctionnant en synchrone avec le microprocesseur. VLB autorise l'utilisation du DMA (Direct Memory Access) ainsi que le bus mastering. En fait, son architecture est très simple car il s'agit ni plus ni moins d'une extension du bus du processeur. Le bus VESA, de conception peu coûteuse, fonctionne donc en synchrone avec le processeur - ainsi un processeur à 33 MHz fonctionnera avec un bus VESA 33 MHz. Ce bus permet de piloter trois connecteurs. Le taux de transfert potentiel est alors de 132 Mo/s [(32/8) * 33]. Avec un bus à 40 MHz on atteint un taux de transfert de 148 Mo/s. VLB a malheureusement été conçu au départ pour des processeurs 486 et reste donc lié aux caractéristiques de ce processeur.

Bien que la version VLB 2.0 offre un bus 64 bits avec un débit pouvant atteindre 264 Mo/s, VESA (a perdu la partie) au détriment du bus PCI, plus performant et d'une plus grande adaptabilité aux différents processeurs.

Le bus PCI

Le bus PCI (Peripheral Component Interconnect) a été développé par Intel en 1993, concurremment à la norme VESA. Il offre, dans sa version 1.0, un bus de 32 bits fonctionnant à 33 MHz ce qui permet d'atteindre un taux de transfert de 132 Mo/s comme VESA. PCI présente toutefois le gros avantage d'être totalement indépendant du processeur, ce qui n'est pas le cas du VESA Local Bus. En effet, PCI dispose de sa propre mémoire tampon (buffer) - c'est pourquoi on emploie également le terme de "pont" PCI - mémoire chargée de faire le lien entre le bus du processeur et les connecteurs d'extension.

(…)

Extraits de Technologie des ordinateurs et des réseaux, Pierre-Alain Goupille, Ed. Masson

Le bus VLB (Vesa Local Bus)

Le Bus d'Extension

De tous les éléments qui composent un ordinateur, le bus d'extension est sans aucun doute l'un des plus importants car il permet de relier les différents composants entre eux.

La liaison électronique entre les différents composants d'un ordinateur est appelée bus. Au sein d'un ordinateur, il existe différents types de bus, ayant chacun une fonction précise. Par exemple, le bus système permet de relier le processeur à la Ram ; il fonctionne à la fréquence externe du processeur. Sa vitesse d'horloge détermine combien d'actions (telles que des opérations de lecture/écriture mémoire) peuvent être réalisées chaque seconde.

Le bus le plus ancien se nomme ISA (Industry Standard Architecture). A l'origine, le premier ordinateur IBM PC disposait d'un bus ISA sur 8 bits fonctionnant à 4,77 MHz. Par la suite, l'ISA est passé sur 16 bits. Au départ, sa fréquence était la même que celle du bus système ; elle a été fixée plus tard à 8,3 MHz pour éviter les problèmes de compatibilité avec certaines cartes d'extension. La bande passante du bus ISA (environ 16 Mo/s) n'étant plus suffisante pour satisfaire aux besoins actuels, les spécifications PC99 mises au point par Microsoft et Intel prévoient la disparition pure et simple des connecteurs ISA sur les cartes mères.

L'alternative au bus ISA est le bus PCI (Peripheral Component Interconnect). Il a été conçu par Intel pour transférer les données des cartes d'extension vers la mémoire vive en sollicitant très peu le processeur (mode Bus Master). Il est prévu pour fonctionner en 32 bits à une fréquence maximum de 33 MHz. Contrairement au bus VESA Local Bus (également appelé VL-Bus) cadencé à la même fréquence que le bus système, le bus PCI ne peut pas dépasser 33 MHz. Le bus PCI offre une bande passante de 132 Mo/s : il suffit de multiplier la largeur en octets du bus (4 octets) par sa fréquence (33 MHz). Ce taux de transfert est environ 8 fois supérieur à celui du bus ISA à 8,3 MHz (16 bits). Outre ses performances, le principal avantage du bus PCI sur le bus ISA est qu'il peut gérer en théorie, à partir de la version 2.0, tous les problèmes de conflit de cartes. L'IRQ et l'adresse de Bios d'une carte PCI sont en effet déterminées automatiquement en fonction des autres cartes présentes.

Par ailleurs, le bus PCI peut gérer jusqu'à 10 slots (connecteurs) d'extension et peut cohabiter avec la plupart des types de bus existants (ISA, EISA et MCA). Si les spécifications d'origine du connecteur PCI comprenaient 124 broches, elles ont par la suite été révisées pour supporter une bande passante supérieure. L'extension de 32 à 64 bits (spécifications PCI 2.1) a été rendue possible en ajoutant un connecteur supplémentaire, disposant de 64 broches, au connecteur PCI de base. Notez que si l'augmentation de 32 à 64 bits permet de doubler la bande passante (264 Mo/s), les cartes d'extension PCI de type 64 bits demeurent pour le moment relativement rares.

Dédié aux cartes graphiques, le bus AGP (Accelerated Graphic Port) a été développé par Intel pour décharger la bande passante du bus PCI saturée par les applications 3D (et notamment les jeux). Avec souvent quatre emplacements sur la carte mère, les 132 Mo/s du bus PCI ne suffisent plus à faire face aux données provenant de la carte graphique, mais aussi des éventuelles cartes réseau, SCSI, sonore, etc. Le premier intérêt de l'AGP est donc de libérer une partie de la bande passante du bus PCI. Mais les améliorations ne s'arrêtent pas là. Ainsi, une carte graphique AGP peut puiser directement dans la mémoire vive du PC pour y stocker les textures. Elle profite alors d'une mémoire SDRam synchrone avec la fréquence du bus système (ou fréquence de la carte mère).

L'AGP et ses rivaux déclarés

Les spécifications d'Intel concernant le bus AGP prévoient trois modes de fonctionnement. Le premier, l'AGP 1X, offre un débit de 264 Mo/s. Pour cela, il exploite les fronts montants du signal cadencé à 66 MHz. Le second mode, dénommé AGP 2X, fonctionne également à 66 MHz mais permet une bande passante deux fois supérieure (528 Mo/s) en utilisant les fronts montants et descendants du signal. La prochaine génération de cartes graphiques exploitera les spécifications AGP 4X. Toujours cadencé à 66 MHz, l'AGP 4X proposera une bande passante supérieure à 1 Go/s en doublant les informations captées lors des fronts montants et descendants des signaux. Précisons que cette bande passante devrait coïncider avec celle des futures cartes mères prévues pour fonctionner à 133 MHz (contre 100, voire 66 MHz actuellement). Pour bénéficier d'une fréquence de 133 MHz ainsi que de l'AGP 4X, il faudra attendre l'arrivée d'une nouvelle génération de chipset, en l'occurrence l'Intel 820 prévu pour le deuxième trimestre 1999.

L'avenir du bus PCI se dessine à l'horizon. En effet, certains acteurs importants comme IBM, Compaq et HP ont récemment proposé leurs propres extensions au bus PCI, baptisées PCI-X. Il s'agirait selon certains analystes d'une réaction au temps que prend Intel pour faire évoluer les spécifications PCI. PCI-X comporte un bus PCI 64 bits cadencé à 133 MHz (contre 33 ou 66 MHz pour la déclinaison actuelle du bus PCI), ce qui permettrait d'atteindre une bande passante d'environ 1 Go/s. En réponse au PCI-X, Intel travaille sur une nouvelle génération de bus série plus ambitieux, baptisée NGIO (Next Generation I/O). Destiné à être intégré dans les serveurs au cours du second semestre 2000, le NGIO supporterait une bande passante environ deux fois supérieure à celle du PCI-X (2,5 Go/s). Enfin, le principal concurrent de NGIO est Future I/O, soutenu par Compaq, HP et IBM, qui est prévu pour autoriser une bande passante de 2 Go/s.

Vincent Jajolet, PCExpert, Mars 1999, http://www.pcexpert.tm.fr/

Chipset : au cœur du PC

Si le microprocesseur est le cerveau de la carte mère, le chipset en est le cœur. Éclairage sur ce composant méconnu.

l'ordinateur, enregistré dans la mémoire centrale ou envoyé vers une unité d'entrées-sorties, passe par le chipset qui établit l'échange de données avec le processeur. Mieux, c'est le chipset qui contrôle la vitesse du bus système de la carte mère, canal utilisé pour faire transiter l'information entre le microprocesseur, la mémoire centrale et les périphériques. À l'origine, cette vitesse était de 33 MHz, le dernier chipset commercialisé par Intel propose une vitesse de bus égale à 100 MHz, et prévoit déjà une vitesse supérieure (133 MHz) pour le futur Katmaï.

Contrôleurs DMA et IRQ sont également supervisés par le chipset. Dans le premier cas, le canal DMA autorise l'échange des données directement entre un périphérique (comme une carte son) et la mémoire sans intervention du processeur. Cette technique décharge le processeur qui n'a plus à s'occuper de ces tâches subalternes.

Le type et la quantité de mémoire vive intégrée sur une carte mère dépendent également du chipset choisi par le constructeur. Les chipset les plus récents gèrent jusqu'à 1 Go de mémoire centrale SD-Ram cadencée à 100 MHz. Procurez-vous donc des mémoires SD-Ram prévues pour fonctionner à la même fréquence que celle du bus système.

Le rôle du chipset ne se limite pas au seul contrôle des éléments vitaux. Dans tous les ordinateurs actuels, les disques durs sont gérés par des contrôleurs intégrés à même la carte mère et les fonctions (Ultra DMA 33, par exemple) dépendent du chipset. Un disque dur Ultra DMA ne fonctionnera donc pas au mieux de ses capacités, si le chipset de la carte mère ne gère pas ce mode.

Quel chipset pour votre carte-mère ?

La plage de fréquences autorisée pour le fonctionnement du microprocesseur offre une bonne indication de la possibilité d'évolution d'un système. En effet, le jeu de composants est le principal responsable de la limitation de la vitesse des processeurs. Contrairement au Bios d'une machine qui peut être mis à jour aisément par remplacement, mais surtout par flashage, le chipset, soudé directement sur la carte mère d'un ordinateur, ne peut en aucun cas être modifié.

Pour n'en choisir qu'un, sachez que le chipset 440BX d'Intel, permet l'usage des processeurs Pentium II, dont la fréquence peut atteindre 450 MHz. Mais attention, le choix d'un processeur dépend également du type de support prévu sur la carte mère ! Le slot 1 d'Intel ne peut recevoir que les processeurs Pentium II, alors que le socket 7 convient pour les processeurs AMD, Cyrix ou Intel (Pentium).

Les chipset récents ont également permis des améliorations notables en terme de graphisme.

Auparavant, la carte graphique logée dans un slot PCI communiquait avec le processeur à une cadence égale à 33 MHz. Grâce au bus AGP, ce débit est passé à 66 MHz, voire 133 MHz pour les bus AGP 2X. De plus, ce bus AGP est désormais directement relié à la mémoire vive, via les nouveaux chipset d'Intel (440-BX, LX, EX, GX et ZX), de ALI (Aladdin V), de l'éditeur VIA (Apollo MVP3) et de SiS (5591/92 et 5581/82). La possibilité de gérer un bus système à 100 MHz et la vitesse proposée par les cartes AGP (66 MHz pour AGP et 133 MHz pour AGP 2X) procurent un gain de performance appréciable pour des applications graphiques en 3D.

Le chipset contrôle également d'autres éléments tels que le type de mémoire cache (Pipeline Burst, par exemple), la présence ou non de port infrarouge, USB, PS/2 ou encore la norme de bus PCI (actuellement en version 2.1) ainsi que le nombre de processeurs pouvant être intégrés sur la carte mère.

L'historique des chipset proposé par Intel

Premier fournisseur de processeurs depuis plus d'une décennie, Intel fabrique également des cartes mères et conçoit depuis plus de quatre ans ses propres chipset.

Le premier du genre, nommé Aries fut conçu pour la famille des processeurs i486. La carte mère sur laquelle était soudé ce circuit pouvait intégrer des bus PCI ou Local Bus. Deux mois plus tard, la famille Saturn remplaça ce premier chipset ; il était destiné à la carte-mère pouvant accueillir des processeurs i486 à fréquence triplée (les DX4).

Pour gérer les processeurs Pentium (60 et 66 MHz), Intel mit le chipset Mercury sur le marché en 1996. Celui-ci fut rapidement remplacé par le chipset Neptune pour équiper les cartes mères prévues pour fonctionner avec les processeurs Pentium cadencés de 75 à 100 MHz. Parallèlement, une nouvelle famille de chipset fit son apparition : les 430FX, VX et HX. Ce dernier permet l'utilisation d'une mémoire centrale de 512 Mo EDO, une mémoire cache de second niveau Pipeline Burst (jusqu'à 512 Ko), les bus PCI à la norme 2.1 et les ports USB.

Enfin pour travailler de concert avec le Pentium II, Intel mit au point le chipset 440LX, premier jeu de composants à permettre le bus AGP. Les cartes mères ainsi équipées fonctionnent à une fréquence de 66 MHz. Le chipset BX est apparu ensuite, conjointement avec les processeurs Pentium II cadencés à 350,400 et 450 MHz, et permet une fréquence de bus système de 100 MHz capable de gérer jusqu'à 1 Go de mémoire SD-Ram avec ECC (système de détection et de correction d'erreurs), ce chipset reconnaît le bus AGP 2X (133 MHz), l'Ultra DMA, les ports USB et la norme ACPI pour gérer l'énergie sous Windows.

L'offre de la concurrence rajeunit le socket 7

Alors qu'Intel vit quasiment en maître incontesté sur le marché du Pentium II, les autres fondeurs de processeurs, AMD et Cyrix, sont obligés de travailler de concert avec les concepteurs de cartes mères pour élaborer les chipset les plus appropriés. Plusieurs sociétés spécialisées dans la fabrication de chipset se disputent fermement le marché : ALI, OPTi, SiS, UMC, VIA technology,VLSI sont les plus connus.

ne peuvent pas accueillir les derniers processeurs de type Socket 7. Elles sont en revanche plus performantes et offrent plus de possibilités que celles architecturées autour du dernier chipset Intel pour ces processeurs (le 430 TX). Celui-ci ne permettait pas, en effet, une vitesse supérieure à 66 MHz pour le bus système et ne gérait que 512 Ko de mémoire cache.

L'avenir des chipsets 133 MHz

Intel prévoit un nouveau chipset pour l'année 1999 destiné à fonctionner avec le nouveau processeur Katmaï. Ces principales caractéristiques sont : un bus système cadencé à 133 MHz, le support de l'Ultra DMA 66, l'augmentation du débit du bus AG P (4X), et la reconnaissance d'un nouveau type de mémoire vive : le direct RamBus. Le nouveau chipset ne sera mis sur le marché que quelques mois après la commercialisation du nouveau processeur. En attendant les constructeurs devront se contenter du 440BX.

Ali et VIA ont acquis le droit de fabriquer des jeux de composants pour cartes mères Pentium II. Leurs modèles, respectivement nommés Apollo Pro et Aladdin Pro II, seront les concurrents directs du chipset 440BX d'Intel. Tous deux assureront une fréquence pour le bus de 100 MHz. Le modèle VIA sera compatible avec la norme Ultra DMA 66.

Dossier réalisé par Bemard Frala, Windows News, Février 1999 / n° 63

Travail à faire

A l'aide de la documentation fournie, vous répondrez aux questions suivantes :

1. Qu'est-ce qu'un bus (dans un micro-ordinateur) ?

2. Quels sont les deux principaux dans un micro-ordinateur ?
3. Quels est le rôle du bus d'extension ?
4. Quels ont été les évolutions marquantes du bus d'extension ?
5. Commentez l'évolution et sa nécessité (en termes de performances).
6. Quel est l'intérêt d'avoir créé un bus spécifique pour l'affichage vidéo ?
7. Quel est le rôle du chipset implanté sur la carte-mère ?
8. Commentez "brièvement" son évolution en termes de capacités.