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Les bus internes utilisés par les ordinateurs.

1. ISA - 2. MCA d'IBM - 3. VLB - 4. PCI - 5. PCI-X - 6. AGP (spécifique cartes graphiques) - 7. PCI-Express - 8. PCMCIA - 9. ExpressCard - 10. Calculer la bande passante

En étudiant les bases de microprocesseurs, nous avons défini les bus: adresse, donnée et commande. Dans les ordinateurs PC compatibles, on a étendu cette dénomination à tous les connecteurs internes et parfois externes reliés au système microprocesseur (y compris à ses circuits d'interfaçage) permettant d'insérer des cartes informatiques (carte graphique, séries, parallèle, SCSI, son, USB, firewire, réseau, ...).

Un bus interne est un connecteur permettant d'insérer des cartes électroniques périphériques. Nous les verrons principalement dans les exercices pratiques. Chaque bus (connecteur) est normalisé en:

1. Le bus ISA

Le bus ISA date des premiers PC XT d'IBM en 1981. A l'époque, le nombre de bits de données était de 8 bits (comme le 8088 en externe) et la fréquence de travail était de 4,77 Mhz. Avec le 286, IBM a sorti le même, mais les caractéristiques changent puisque le bus passe en version 16 bits (bus de données) avec une vitesse de 8 Mhz. Cette vitesse est toujours celle utilisée dans les derniers PC, la bande passante d'un bus ISA 16 bits est de 16 MB / secondes. Une carte 8 bits peut s'insérer dans un bus ISA 16 bits. Fin 1999, seuls quelques modem, des cartes de rajoute port parallèle ou série, … utilisent encore ce type de connecteur. 

Les cartes mères actuelles n'incluent plus le bus ISA, remplacé par le bus PCI plus rapide, lui-même remplacé par le PCI-E.

2. Le bus MCA d’IBM

Le Bus MCA est apparu avec les PC 386 d'IBM. Celui-ci n'avait prévu aucun brevets lors de la sortie des XT et les firmes concurrentes utilisaient leurs données techniques. Avec l'introduction des 386, IBM implantait un nouveau bus de 32 bits de données. Son débit maximum est de 40 MB / s. Comme IBM avait breveté l'ensemble des normes mécaniques et électriques, seule cette firme l'a réellement utilisé.

3. Le bus VLB

En haut deux bus PCI, en bas, 4 VLB (carte mère serveur pour Pentium) 

A partir du 486DX2-66 est apparu le bus VLB ou VESA Local bus. Celui-ci comportait maximum 3 connecteurs, rajoute sur un bus ISA 16 bits. Connecté directement sur le processeur et reprenant directement les signaux, celui-ci ne pouvait que disparaître avec les 486. Attention, installer 3 cartes VLB pose généralement des problèmes. Le bus VLB se décline en 2 versions: le A et le B. Le B est relié au processeur via un circuit d'interface plus évolué qu'un simple buffer. Les performances sont identiques.

On trouvait deux types de cartes: les cartes écrans et les cartes IO (2 connecteurs disques durs E-IDE, port parallèle, 2 port série et contrôleur disquette).

4. Le bus PCI

Avec les premiers PENTIUM, le bus d'extension est devenu clairement un goulot d'étranglement avec sa vitesse limitée à 8 Mhz sur un bus de donnée de 16 bits. Son successeur est le bus PCI, cadencé à 33 Mhz sur une largeur de 32 bits (soit 4 byte - octet). Celui-ci était au début utilisé par la carte graphique, mais les modem, carte son, cartes réseaux, …utilisent ce bus au détriment du bus ISA obsolète. Sa bande passante est de 132 MB/s, soit 8 fois supérieure à celle d'un ISA. Une version supérieure, le PCI-X, est développée pour les serveurs.

Les cartes PCI peuvent être alimentées en 5 Volts (à l'origine) ou en 3,3 V. La tension d'alimentation est réglée directement lors du démarrage du PC. Les cartes fonctionnant en 3.3 V ont 2 encoches. Ceci ne pose pas de problèmes dans ce sens. Par contre, certains slots de cartes mères n'acceptent pas les cartes 5 V, uniquement 3,3V. Dans ce cas, le connecteur de la carte mère inclut les 2 encoches, vous ne pouvez pas insérer une carte 5V. De même, certaines anciennes cartes mères (Pentium de la première générations) acceptent les cartes 5V mais ne détectent pas correctement les cartes 3,3V.

Le bus PCI utilise le DMA (Direct Memory Access) pour le transfert de données vers la Ram ou entre les carte, avec quelques limitations pour d'anciens chipset vers le port AGP qui utilise également cette technique.

Le schémas d'un bus PCI (ce bus n'est pas limité aux PC, également en Mac) ci-dessous apporte quelques renseignements intéressants. La fonction représentée entre le processeur et le bus est ce que nous appèlerons le chipset. Il gère le bus PCI et la mémoire. Les autres bus sont liés au bus PCI par un circuit qui sert de pont. Toutes les transactions actuelles entre le bus ISA et le processeur passent par ce pont PCI.

Architecture du bus PCI

5. Bus PCI-X

Développé pour les serveurs conjointement par IBM, Compac, HP et Intel, le bus PCI-X est une évolution du bus PCI standard. Si un bus PCI tourne à 33 Mhz avec une largeur de bus de donnée de 32 bits (soit une bande passante maximum de 132 MB/s), le bus PCI-X tourne à une fréquence d'horloge de 66 à 533 Mhz suivant les versions en 32 ou 64 bits. Les taux de transferts associés à ces vitesses sont nécessaires pour les cartes réseaux Gigabits, mais surtout pour les connections SCSI Ultra 160 et Ultra 320 (respectivement débit maximum de 160 MB/s et 320 MB/s)

La version PCI-X 1.0 est sortie en 1999, elle est alimentée à une tension de 3,3 V. 6 versions sont reprises dans la norme. Nous le verrons avec la partie sconfiguration des serveurs réseaux.

La version PCX-2.0, sortie en 2002, est également alimentée en 1,5 V suivant les versions. Les cartes sont hot Plug (déconnectables à chaud).

Les cartes PCI-X 32 bits peuvent être insérées dans 1 bus 64 bits. Directement raccordé sur le Northbridge du chipset pour une question de bande passante, le PCI-X n'est implanté que dans certains serveurs de haut de gamme avec des cartes mères dédiées.

Prometteur, les dernières versions sont pourtant dépassées par le bus PCI-Express, y compris dans les serveurs.

6. Le bus AGP

Malgré ses progrès, le bus PCI est vite devenu trop lent pour les cartes graphiques. INTEL a spécialement développé le bus AGP. Sa fréquence est de 66 Mhz dans les premières versions. Il est capable par DMA (direct Memory Access) de prendre le contrôle de la mémoire pour le transfert direct des informations. Cette caractéristique est également implantée dans le bus PCI. Quatre versions ont été développées:

L'AGP 1X, avec un débit théorique de 266 MB/s sur 32 bits (fréquence de 66 Mhz), tension d'alimentation de 3,3 V ou 1,5 V suivant la carte graphique.

L'AGP 2X: celui-ci permet de charger les informations 1 fois sur la partie montante de l'horloge, une fois sur la partie descendante (doublement du débit, 533 MB/s) sur une fréquence de base de 66 Mhz. Tension d'alimentation de 1,5 volts uniquement. Ce bus est gérer par les circuits d'interface Intel 440 LX, EX, ZX et BX à base de Pentium II et III et suivants.

L'AGP 4X utilise le même bus - connecteur mais double la fréquence (133 Mhz) avec également l'utilisation des flancs montants et descendant. Ce type de bus implique que la mémoire Ram soit suffisamment rapide. Une spécification supérieure, extension de l'AGP 4X et dénommée AGP Pro, est destinée aux futures stations de travail. La spécificité est liée à l'alimentation électrique de la carte (50W pour l'AGP Pro 50 et 110 W pour l'AGP 110 contre 25 W pour l'AGP 4X). Le taux de transfert atteint 1,07 GB/s avec une tension d'alimentation de la carte de 1,5 V.

Sorti réellement début 2003, l'AGP 8X reste en 32 bits mais à 266 Mhz. Seule réelle avancée, le transfert atteint en théorie jusqu'à 2,13 GB / s avec une tension de 0,8 Volts. En pratique, le gain de performance est inférieur à 5% par rapport à l'AGP 4X. L'AGP détecte automatiquement le mode de fonctionnement de la carte graphique. Le bus AGP 8 X accepte les cartes 2 et 4 X mais avec une tension de 0,8 Volts ou 1,5 volts. Les cartes de la première génération ne sont plus reconnues (et vis-versa).

Par comparaison, la bande passante du bus ISA ne fait que 16 MB/s, celle du bus PCI 132 MB/s

7. PCI-Express 1.1, 2.0 et 3.0

Sorti en 2004 sous l'impulsion d'INTEL, le bus PCI-Express 1.1 est destiné à remplacer les bus AGP (cartes graphiques) et PCI pour les autres périphériques. Il utilise 32 canaux de type série. Chaque canal peut en théorie être utilisé indépendamment des autres. Le PCI-express 1.1 permet un débit maximum de 250 MB/s et par canal, la version 2.0, ratifiée en janvier 2007, double ce taux de transfert à 500 MB/seconde avec une fréquence de 5 Ghz et un signal codé sur 10 bits (8 pour les données). Début 2012, sortent les premières cartes mères utilisant la version 3.0. Plusieurs améliorations boostent les performances: d'abord la fréquence qui passe à 8 Ghz, ensuite le codage des données qui passe à 130 bits mais avec 120 bits de données. La dernière partie est nettement intéressante puisque la bande passante "utile" passe de 8/10 = 0,8 à 128/130 = 0,985. Le taux de transfert atteint les 985 MB/s par seconde (prêt du double de la norme précédante). Les cartes 1.1 et 2.0 sont compatibles avec les cartes mères et processeurs (Intel LGA2011) utilisant la version 3.0 sans augmentation de gains de performances et vis versa.

Les connecteurs implantés sur les cartes mères permettent d'utiliser 1 ou 16 canaux. La version 16 canaux est dédiée aux cartes vidéos (connecteur noir sur la photo) et permet un taux de transfert maximum de 4 GB/s en 1.1 et 8 GB/s en 2.0 (à comparer avec l'AGP 8 X et ses 2 GB/s). Le connecteur 1 X (les deux blancs sur la photo) est destiné à des cartes d'extensions comme des tuners TV ou cartes réseaux (même si ces dernières sont actuellement implantées directement dans le chipset). Elles sont finalement peu répandues. Deux versions, utilisant 4 et 8 canaux sont réservés aux serveurs réseaux.

Un canal utilise de 2 paires de connexion: une pour l'émission et une pour la réception des données. Chaque paire (communication + masse) permet un débit unidirectionnel de 250 MB/s en émission ou en réception (soit 500 MB/s en full duplex, version 2.0). En couplant 16 voies de communication (carte graphique), on obtient donc 4 GB/s. 

Le bus est constitué de 2 paires (4 fils) basses tensions, une pour l'émission, l'autre pour la réception des données. Le signal est donc bidirectionnel et même full duplex (envoi et réception en même temps)

Contrairement aux autres bus utilisés dans les PC, il se raccorde directement sur le northbridge du chipset (le composant qui gère les transactions entre le processeur et la mémoire) ou même directement sur le processeur (Intel I7) , ce qui assure une vitesse de transmission plus rapide entre les périphériques PCI-E et les mémoires Ram du PC

Comme dans tous les bus série, le contrôle des données est assuré par le contrôleur. Ce bus est également déconnectable à chaud (hot plug), les cartes peuvent être insérées ou enlevées avec l'ordinateur sous tension.

Une version pour PC portable est prévue, appelée mini PCI Express. Ses dimension sont de 3 cm de large et s'insèrent dans un bus internes. Elle a été peu implantée et, en pratique, n'est plus utilisée.

Son concurrent chez AMD se nomme hypertransport, notamment avec la future version 3.0. Il accepte un débit théorique allant jusqu'à 22 GB/s (version actuelle 2.0). Il est actuellement implanté dans les chipsets AMD pour microprocesseur 64 bits comme inter - bridge mais devais être disponible comme bus interne avec la version 3.0. De nouveau, il n'en est rien.

Dernière remarque, le PCI-express est un bus interne destiné à connecter des cartes d'extensions, pas un remplaçant du serial ATA pour les disques durs, ni de bus externes comme l'USB ou IEEE 1394 Firewire. Quelques essais de connexion de périphériques externes sont en cours d'élaboration, mais sans réelles normes.

8. Le bus PCMCIA

 Le bus PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Assosciation) était utilisé dans les ordinateurs portables comme bus interne. Quelques cartes pour PC bureautiques permettent d'insérer de telles cartes dans le PC. Ceci est utilisé notamment pour des "cartes de crédit" de reconnaissance personnelles anti-piratage.

Il existent en 3 versions: PCMCIA I , II et III.

 Le connecteur interne est donc le même, la seule différence vient de la hauteur disponible pour insérer le périphérique. Un emplacement PCMCIA II prend la place de 2 PCMCIA I. Un portable comportant un slot PCMCIA II intégrera automatiquement 2 slots PCMCIA I. On trouve sous ce format des modems, cartes réseaux, mémoires Flash, …

Les cartes PCMCIA peuvent être intégrées "à chaud", PC portable allumé, grâce à certaines précautions très particulières de la mécanique du bus. En effet, les bornes d'alimentations sont d'abord connectées lors de l'insertion de la carte, ensuite la quasi-totalité des signaux et pour terminer 2 broches destinées à la détection d'insertion.

Le PCMCIA I est réservé uniquement à l'usage de carte mémoires dans les notebook. Le type II, plus épais de 1 mm, autorise plus de choix: carte réseaux, modem, … Le PCMCIA III, effectif début 2000, autorise l'usage de disques durs de 1,8 pouces.

Le bus de connexion est équipée d'un connecteur (broches femelles). Le réceptacle est solidaire du boîtier du système. L'extrémité des cartes est pourvue d'un socket (broches mâles). Le connecteur et le socket comportent 2 rangées de 34 contacts espacés de 1 mm. Les broches du réceptacle présentent 3 longueurs différentes. Les cartes sont alimentées par 2 broches Vcc de 5 V, 2 broches Vpp de 12 V et 4 broches de masse. Ces broches sont insérées avant les autres broches pour éviter des tensions sur les bus lors de l'insertion ou après lors de l'enlèvement de la carte.

Dimensions physiques du bus PCMCIA: la longueur de la carte est toujours de 85,6 mm et 54 mm de largeur.

Certaines cartes fonctionnent en 3,3 Volts dans la release 2.0. Dans ce cas, le portable lit une mémoire interne à la carte avant d'alimenter les broches de la carte et transforme le 5 V en 3.3 V puis alimente les différentes broches de la carte.

Type Epaisseur Défini par
I 3,3 mm release 1.0
II 5 mm release 1.0
III 10,5 mm release 2.0

Alors que les versions précédentes étaient sur 16 bits, la release 5.0 de la norme autorise des cartes 32 bits.

9. ExpressCard

Développé à partir de 2004, l'ExpressCard remplace le PCMCIA avec un seul connecteur. Par contre, deux dimensions des cartes sont utilisées (largeur de 34 ou 54 mm) avec une longueur de 75 mm et 5 mm d'épaisseur.

C'est une transmission de type série avec deux vitesses de transfert suivant la carte insérée. Dans le premier type de fonctionnement, l'ExpressCard se base sur un canal d'un bus PCI-Express 1.0. Ceci permet des transmissions jusqu'à 250 MB/s en Full duplex. Dans le deuxième, la transmission utilise un bus de type USB 2.0 (y compris ses trois modes de fonctionnement à 180 KB/s, 1,5 MB/s et 60 MB/s).

Une nouvelle version est sortie courant 2010 (premières cartes en 2011) et se base sur le PCI-express 2.0 et l'USB 3.0 avec une fréquence de 8 Ghz (5 pour la version 2.0) mais aussi une modification des signaux de contrôle. Il reste compatible avec la version précédente.

10. Calculer la bande passante d'un bus informatique.

Le calcul du taux de transfert maximum d'un bus parallèle se calcule par la formule suivante:

Fréquence du bus (hz) * largeur du bus (bit) / 8 ou Fréquence du bus * largeur de bus en Byte

Prenons comme exemple un bus PCI-X sur 64 bits à une fréquence de 64 Mhz: Le taux de transfert théorique  maximum se calcule par: 64 000 000 * 64 bits / 8 (division par 8 pour passer en octet) = 512.000.000 Byte/s. En informatique hardware, on utilise (à tord) des kilos de 1000. Les kilos byte doivent être de 1024, 210. Pour exprimer le chiffre ci-dessus en Mega Octet/s (MegaB/s), il faut diviser par 1024 * 1024. Le calcul ci-dessus donne un résultat de 488 MB/s.

Dans le cas d'un bus de type série, c'est un peu plus compliqué puisqu'il faut tenir compte des bits de contrôles. La formule est la suivante:

Fréquence du bus (hz) * ratio nombre de bits de données / nombre de bits totaux du message / 8 pour arriver en octet.

Prenons comme exemples un bus série RS232 à 33,6 Mbit/seconde. La bande passante va varier suivant la configuration (bit de départ, de fin et de parité). Avec un start, 1 stop et une parité (even ou ODD), chaque octet de donnée est envoyé sur 11 bits, le ratio est de 8/11= 0,7272.... La bande passante est de 33.600.000*0.7272..=24.436.363,63 ... (en gros moins un peu plus de 24,5 MB/s). Comme autre exemple, prenons un bus PCI-E 3.0. avec une fréquence de de 8 Ghz et un ration de 128/130: la bande passante est de 8.000.000.000 * 128/130/8 = 7.876.923.076,... soit un peu moins de 1 Giga octets.

Entretien et nettoyage des lasers dans la partie technique du site: l'entretien des imprimantes lasers Les connexions externes des PC du cours hardware YBET:
USB, série, parallèle, ...

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Révision 09/11/2015: PCI-e 3.0

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