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Architecture
d'un poste de travail
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1. Introduction
Un ordinateur est un ensemble
de circuits électroniques permettant de manipuler des données sous forme
binaire, c'est-à-dire sous forme de bits. Le mot « ordinateur »
provient de la société IBM France. François Girard, alors responsable du
service promotion générale publicité de l'entreprise IBM France, eut l'idée de
consulter son ancien professeur de lettres à Paris, afin de lui demander de
proposer un mot caractérisant le mieux possible ce que l'on appelait
vulgairement un « calculateur » (traduction littérale du mot
anglais « computer »).
Ainsi, Jaques
Perret, agrégé de lettres, alors professeur de philologie latine à la Sorbonne , proposa le 16
avril 1955 le mot « Ordinateur » en précisant que le mot
« Ordinateur » était un adjectif provenant du Littré
signifiant « Dieux mettant de l'ordre dans le monde ». Ainsi,
il expliqua que le concept de « mise en ordre » était tout à fait
adapté.
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figure 1.1: schéma de principe d'un ordinateur
2. Types d'ordinateurs
Toute machine
capable de manipuler des informations binaires peut être qualifiée
d'ordinateur, toutefois le terme « ordinateur » est parfois confondu
avec la notion d'ordinateur personnel (PC, abréviation de personal
computer), le type d'ordinateur le plus présent sur le marché. Or il existe
beaucoup d'autres types d'ordinateurs (la liste suivante est non
exhaustive) :
Amiga
Atari
Apple Macintosh
Stations Alpha
Stations SUN
Stations Silicon
Graphics
La suite de ce
dossier, aussi générique soit-elle, s'applique ainsi plus particulièrement aux
ordinateurs de type PC, appelés aussi ordinateurs compatibles IBM,
car IBM est la firme qui a créé les premiers ordinateurs de ce type et a
longtemps (jusqu'en 1987) été le leader dans ce domaine, à tel point qu'elle
contrôlait les standards, copiés par les autres fabricants.
3. Constitution de l'ordinateur
Un ordinateur est
un ensemble de composants électroniques modulaires, c'est-à-dire des composants
pouvant être remplacés par d'autres composants ayant éventuellement des
caractéristiques différentes, capables de faire fonctionner des programmes
informatiques. On parle ainsi de « hardware » pour désigner
l'ensemble des éléments matériels de l'ordinateur et de « software »
pour désigner la partie logicielle.
Les composants matériels de l'ordinateur
sont architecturés autour d'une carte principale comportant quelques circuits
intégrés et beaucoup de composants électroniques tels que condensateurs,
résistances, etc. Tous ces composants sont soudés sur la carte et sont reliés
par les connexions du circuit imprimé et par un grand nombre de connecteurs :
cette carte est appelée carte mère.
La carte
mère est logée dans un boîtier (ou châssis), comportant des
emplacements pour les périphériques de stockage sur la face avant, ainsi que
des boutons permettant de contrôler la mise sous tension de l'ordinateur et un
certain nombre de voyants permettant de vérifier l'état de marche de l'appareil
et l'activité des disques durs. Sur la face arrière, le boîtier présente des
ouvertures en vis-à-vis des cartes d'extension et des interfaces
d'entrée-sortie connectées sur la carte mère.
Enfin, le boîtier
héberge un bloc d'alimentation électrique (appelé communément alimentation),
chargé de fournir un courant électrique stable et continu à l'ensemble des
éléments constitutifs de l'ordinateur. L'alimentation sert donc à convertir le
courant alternatif du réseau électrique (220 ou 110 Volts) en une tension
continue de 5 Volts pour les composants de l'ordinateur et de 12 volts pour
certains périphériques internes (disques, lecteurs de CD-ROM, ...). Le bloc
d'alimentation est caractérisé par sa puissance, qui conditionne le nombre de
périphériques que l'ordinateur est capable d'alimenter. La puissance du bloc
d'alimentation est généralement comprise entre 200 et 450 Watts.
On appelle « unité
centrale », l'ensemble composé du boîtier et des éléments qu'il
contient. Les éléments externes à l'unité centrale sont appelés périphériques.
L'unité centrale
doit être connectée à un ensemble de périphériques externes. Un ordinateur est
généralement composé au minimum d'une unité centrale, d'un écran (moniteur), d'un clavier et d'une souris, mais il est possible de connecter une
grande diversité de périphériques sur les interfaces d'entrée-sortie (ports séries, port parallèle, port USB, port firewire, etc.) :
Appareil photo ou
caméra numérique,
Assistant Personnel (PDA), etc.
3.1.
La carte mère
L'élément
constitutif principal de l'ordinateur est la carte mère (en anglais
« mainboard » ou « motherboard », parfois
abrégé en « mobo »). La carte mère est le socle permettant la
connexion de l'ensemble des éléments essentiels de l'ordinateur.
Comme son nom
l'indique, la carte mère est une carte maîtresse, prenant la forme d'un grand
circuit imprimé possédant notamment des connecteurs pour les cartes
d'extension, les barrettes de mémoires, le processeur, etc.
Caractéristiques
Il existe plusieurs
façons de caractériser une carte mère, notamment selon les caractéristiques
suivantes :
Le facteur d'encombrement,
Le chipset,
Le type de support de processeur,
Les connecteurs d'entrée-sortie.
Le facteur d'encombrement,
On désigne
généralement par le terme « facteur d'encombrement » (ou facteur
de forme, en anglais form factor), la géométrie, les dimensions,
l'agencement et les caractéristiques électriques de la carte mère. Afin de
fournir des cartes mères pouvant s'adapter dans différents boîtiers de marques
différentes, des standards ont été mis au point :
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Facteur de forme
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Dimensions
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Emplacements
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ATX
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AGP / 6 PCI
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microATX
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AGP / 3 PCI
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FlexATX
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AGP / 2 PCI
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Mini ATX
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AGP / 4 PCI
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Mini ITX
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1 PCI
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Nano ITX
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1 MiniPCI
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BTX
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7
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microBTX
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4
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picoBTX
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1
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3.2.
Le chipset
Le chipset
(traduisez jeu de composants ou jeu de circuits) est un circuit
électronique chargé de coordonner les échanges de données entre les divers
composants de l'ordinateur (processeur, mémoire...). Dans la mesure où le
chipset est intégré à la carte mère, il est important de choisir une carte mère
intégrant un chipset récent afin de maximiser les possibilités d'évolutivité de
l'ordinateur.
Certains chipsets
intègrent parfois une puce graphique ou une puce audio, ce qui signifie qu'il
n'est pas nécessaire d'installer une carte graphique ou une carte son. Il est
toutefois parfois conseillé de les désactiver (lorsque cela est possible) dans
le setup du BIOS et d'installer des cartes d'extension de
qualité dans les emplacements prévus à cet effet.
3.3.
L'horloge et la pile du
CMOS
L'horloge temps réel
(notée RTC, pour Real Time Clock) est un circuit chargé de la
synchronisation des signaux du système. Elle est constituée d'un cristal qui,
en vibrant, donne des impulsions (appelés tops d'horloge) afin de
cadencer le système. On appelle fréquence de l'horloge (exprimée en MHz)
le nombre de vibrations du cristal par seconde, c'est-à-dire le nombre de tops
d'horloge émis par seconde. Plus la fréquence est élevée, plus le système
peut traiter d'informations.
Lorsque
l'ordinateur est mis hors tension, l'alimentation cesse de fournir du courant à
la carte mère. Or, lorsque l'ordinateur est rebranché, le système est toujours
à l'heure. Un circuit électronique, appelé CMOS (Complementary
Metal-Oxyde Semiconductor, parfois appelé BIOS CMOS), conserve en
effet certaines informations sur le système, telles que l'heure, la date
système et quelques paramètres essentiels du système.
Le CMOS est
continuellement alimenté par une pile (au format pile bouton) ou une
batterie située sur la carte mère. Ainsi, les informations sur le matériel
installé dans l'ordinateur (comme par exemple le nombre de pistes, de secteurs
de chaque disque dur) sont conservées dans le CMOS. Dans la mesure où le CMOS
est une mémoire lente, certains systèmes recopient parfois le contenu du CMOS
dans la RAM
(mémoire rapide), le terme de « memory shadow » est employé
pour décrire ce processus de copie en mémoire vive.
Le « complémentary
metal-oxyde semiconductor », est une technologie de fabrication de
transistors, précédée de bien d'autres, telles que la TTL (« Transistor-transistor-logique »),
la TTLS (TTL
Schottky) (plus rapide), ou encore le NMOS (canal négatif) et le PMOS
(canal positif).
Le CMOS a permis de
mettre des canaux complémentaires sur une même puce. Par rapport à la TTL ou TTLS, le CMOS est
beaucoup moins rapide, mais a consomme en revanche infiniment moins d'énergie,
d'où son emploi dans les horloges d'ordinateurs, qui sont alimentées par des
piles. Le terme de CMOS est parfois utilisé à tort pour désigner l'horloge des
ordinateurs.
Lorsque l'heure du
système est régulièrement réinitialisée, ou que l'horloge prend du retard, il
suffit généralement d'en changer la pile !
3.4.
Le BIOS
Le BIOS (Basic Input/Output System) est le
programme basique servant d'interface entre le système d'exploitation et la
carte mère. Le BIOS est stocké dans une ROM (mémoire morte, c'est-à-dire
une mémoire en lecture seule), ainsi il utilise les données contenues dans le CMOS
pour connaître la configuration matérielle du système.
Il est possible de
configurer le BIOS grâce à une interface (nommée BIOS setup, traduisez configuration
du BIOS) accessible au démarrage de l'ordinateur par simple pression d'une
touche (généralement la touche Suppr. En réalité le setup du BIOS sert
uniquement d'interface pour la configuration, les données sont stockées dans le
CMOS. Pour plus d'informations n'hésitez pas à vous reporter au manuel
de votre carte mère).
3.5.
Le support de processeur
Le processeur
(CPU, pour Central Processing Unit, soit Unité Centrale de
Traitement) est le cerveau de l'ordinateur. Il permet de manipuler des
informations numériques,
c'est-à-dire des informations codées sous forme binaire, et d'exécuter les instructions stockées en
mémoire.
Le premier microprocesseur
(Intel 4004) a été inventé en 1971. Il s'agissait d'une unité de calcul de 4
bits, cadencé à 108 kHz. Depuis, la puissance des microprocesseurs augmente
exponentiellement. Quels sont donc ces petits morceaux de silicium qui dirigent
nos ordinateurs?
Fonctionnement
Le processeur
(noté CPU, pour Central Processing Unit) est un circuit
électronique cadencé au rythme d'une horloge interne, grâce à un cristal de
quartz qui, soumis à un courant électrique, envoie des impulsions, appelées « top
». La fréquence d'horloge (appelée également cycle, correspondant
au nombre d'impulsions par seconde, s'exprime en Hertz (Hz). Ainsi, un
ordinateur à 200 MHz possède une horloge envoyant 200 000 000 de battements par
seconde. La fréquence d'horloge est généralement un multiple de la fréquence du
système (FSB, Front-Side Bus), c'est-à-dire un multiple de la
fréquence de la carte mère
A chaque top
d'horloge le processeur exécute une action, correspondant à une instruction ou
une partie d'instruction. L'indicateur appelé CPI (Cycles Par
Instruction) permet de représenter le nombre moyen de cycles d’horloge
nécessaire à l’exécution d’une instruction sur un microprocesseur. La puissance
du processeur peut ainsi être caractérisée par le nombre d'instructions qu'il
est capable de traiter par seconde. L'unité utilisée est le MIPS
(Millions d'Instructions Par Seconde) correspondant à la fréquence du
processeur que divise le CPI.
Instruction
Une instruction
est l'opération élémentaire que le processeur peut accomplir. Les instructions
sont stockées dans la mémoire principale, en vue d'être traitée par le
processeur. Une instruction est composée de deux champs :
Le code opération, représentant l'action que le processeur
doit accomplir ;
Le code opérande, définissant les paramètres de l'action. Le
code opérande dépend de l'opération. Il peut s'agir d'une donnée ou bien d'une
adresse mémoire.
La carte mère
possède un emplacement (parfois plusieurs dans le cas de cartes mères
multi-processeurs) pour accueillir le processeur, appelé support
de processeur.
On distingue deux catégories de
supports :
Slot
(en français fente) : il s'agit d'un connecteur rectangulaire dans
lequel on enfiche le processeur verticalement
Socket
(en français embase) : il s'agit d'un connecteur carré possédant un
grand nombre de petits connecteurs sur lequel le processeur vient directement
s'enficher
Au sein de ces
deux grandes familles, il existe des version différentes du support, selon le
type de processeur. Il est essentiel, quel que soit le support, de brancher
délicatement le processeur afin de ne tordre aucune de ses broches (il en
compte plusieurs centaines). Afin de faciliter son insertion, un support appelé
ZIF (Zero Insertion Force, traduisez force d'insertion nulle)
a été créé. Les supports ZIF possèdent une petite manette, qui, lorsqu'elle est
levée, permet l'insertion du processeur sans aucune pression et, lorsqu'elle
est rabaissée, maintient le processeur sur son support.
Le processeur
possède généralement un détrompeur, matérialisé par un coin tronqué ou une
marque de couleur, devant être aligné avec la marque correspondante sur le
support.
Dans la mesure
où le processeur rayonne thermiquement, il est nécessaire d'en dissiper la
chaleur pour éviter que ses circuits ne fondent. C'est la raison pour laquelle
il est généralement surmonté d'un dissipateur thermique (appelé parfois refroidisseur
ou radiateur), composé d'un métal ayant une bonne conduction thermique
(cuivre ou aluminium), chargé d'augmenter la surface d'échange thermique du
microprocesseur. Le dissipateur thermique comporte une base en contact avec le
processeur et des ailettes afin d'augmenter la surface d'échange thermique. Un
ventilateur accompagne généralement le dissipateur pour améliorer la
circulation de l'air autour du dissipateur et améliorer l'échange de chaleur.
Le terme « ventirad » est ainsi parfois utilisé pour désigner
l'ensemble Ventilateur + Radiateur. C'est le ventilateur du boîtier qui
est chargé d'extraire l'air chaud du boîtier et permettre à l'air frais
provenant de l'extérieur d'y entrer.
3.6.
Les connecteurs de mémoire
vive
La mémoire vive (RAM pour Random Access Memory)
permet de stocker des informations pendant tout le temps de fonctionnement de
l'ordinateur, son contenu est par contre détruit dès lors que l'ordinateur est
éteint ou redémarré, contrairement à une mémoire de masse telle que le disque
dur, capable de garder les informations même lorsqu'il est hors tension. On
parle de « volatilité » pour désigner ce phénomène.
Pourquoi alors utiliser
de la mémoire vive alors que les disques durs reviennent moins chers à capacité
égale ? La réponse est que la mémoire vive est extrêmement rapide par
comparaison aux périphériques de stockage de masse tels que le disque dur. Elle
possède en effet un temps de réponse de l'ordre de quelques dizaines de
nanosecondes (environ 70 pour la
DRAM , 60 pour la
RAM EDO , et 10 pour la SDRAM voire 6 ns sur les SDRam DDR) contre
quelques millisecondes pour le disque dur.
La mémoire vive se
présente sous la forme de barrettes qui se branchent sur les connecteurs de la
carte mère.
3.7.
Les connecteurs d'extension
Les connecteurs
d'extension (en anglais slots) sont des réceptacles dans lesquels il
est possible d'insérer des cartes d'extension, c'est-à-dire des cartes offrant
de nouvelles fonctionnalités ou de meilleures performances à l'ordinateur. Il
existe plusieurs sortes de connecteurs :
Connecteur ISA (Industry Standard Architecture) :
permettant de connecter des cartes ISA, les plus lentes fonctionnant en 16-bit
Connecteur PCI (Peripheral Component InterConnect)
: permettant de connecter des cartes PCI, beaucoup plus rapides que les cartes
ISA et fonctionnant en 32-bit
Connecteur PCI Express (Peripheral
Component InterConnect Exress) : architecture de bus plus rapide que les
bus AGP et PCI.
Connecteur AMR (Audio
Modem Riser): ce type de connecteur permet de brancher des mini-cartes sur
les PC en étant équipés
3.8.
Les connecteurs
d'entrée-sortie
La carte mère
possède un certain nombre de connecteurs d'entrées-sorties regroupés sur le
« panneau arrière ».
La plupart des
cartes mères proposent les connecteurs suivants :
Port série, permettant de connecter de vieux
périphériques ;
Port parallèle, permettant notamment de connecter de
vieilles imprimantes ;
Ports USB (1.1, bas débit, ou 2.0, haut débit),
permettant de connecter des périphériques plus récents ;
Connecteur RJ45
(appelés LAN ou port ethernet) permettant de connecter
l'ordinateur à un réseau. Il correspond à une carte réseau intégrée à
la carte mère ;
Connecteur VGA
(appelé SUB-D15), permettant de connecter un écran. Ce connecteur
correspond à la carte graphique
intégrée ;
Prises audio
(entrée Line-In, sortie Line-Out et microphone),
permettant de connecter des enceintes acoustiques ou une chaîne hi fi, ainsi
qu'un microphone. Ce connecteur correspond à la carte son intégrée.
3.9.
Le boîtier
Le boîtier
(ou châssis) de l'ordinateur est le squelette métallique abritant ses
différents composants internes. Les boîtiers ont par ailleurs d'autres utilités
telles que l'isolement phonique ou la protection contre les rayonnements
électromagnétiques. Ainsi des normes existent afin de garantir un niveau de
protection conforme à la réglementation en vigueur.
Les éléments de
choix principaux d'un boîtier sont son facteur de forme, ses dimensions, le
nombre d'emplacements pour des lecteurs, son alimentation, la connectique en
façade et enfin son design et ses couleurs. Ainsi, si les boîtiers se
ressemblaient tous aux débuts du PC, il existe aujourd'hui des boîtiers de
toutes les formes, parfois même transparents afin de permettre aux utilisateurs
de faire du tuning à l'aide par exemple de néons.
Bloc d'alimentation
La plupart des
boîtiers sont fournis avec un bloc d'alimentation (en anglais power
supply). L'alimentation permet de fournir du courant électrique à
l'ensemble des composants de l'ordinateur. Aux Etats-Unis les blocs
d'alimentation délivrent un courant à 110V et à 60 Hz, tandis qu'en Europe la
norme est 220V à une fréquence de 50 Hz, c'est la raison pour laquelle les
blocs d'alimentation possèdent la plupart du temps un commutateur permettant de
choisir le type de tension à délivrer.
Il est essentiel de
s'assurer que le commutateur est bien positionné sur le bon voltage afin de ne
pas risquer de détériorer des éléments de l'unité centrale.
Le bloc
d'alimentation doit posséder une puissance suffisante pour alimenter les
périphériques de l'ordinateur.
3.10. MEMOIRE
Rôle de la mémoire
On appelle « mémoire
» tout composant électronique capable de stocker temporairement des données. On
distingue ainsi deux grandes catégories de mémoires :
La mémoire centrale (appelée également mémoire interne)
permettant de mémoriser temporairement les données lors de l'exécution des
programmes. La mémoire centrale est réalisée à l'aide de micro-conducteurs,
c'est-à-dire des circuits électroniques spécialisés rapides. La mémoire
centrale correspond à ce que l'on appelle la mémoire vive.
La mémoire de masse (appelée également mémoire physique
ou mémoire externe) permettant de stocker des informations à long terme,
y compris lors de l'arrêt de l'ordinateur. La mémoire de masse correspond aux
dispositifs de stockage magnétiques, tels que le disque dur, aux dispositifs de stockage optique,
correspondant par exemple aux CD-ROM ou aux DVD-ROM.
Caractéristiques techniques
Les principales
caractéristiques d'une mémoire sont les suivantes :
La capacité,
représentant le volume global d'informations (en bits) que la mémoire peut
stocker ;
Le temps d'accès,
correspondant à l'intervalle de temps entre la demande de lecture/écriture et
la disponibilité de la donnée ;
Le temps de
cycle, représentant l'intervalle de temps minimum entre deux accès
successifs ;
Le débit,
définissant le volume d'information échangé par unité de temps, exprimé en bits
par seconde ;
La non
volatilité caractérisant l'aptitude d'une mémoire à conserver les données
lorsqu'elle n'est plus alimentée électriquement.
Ainsi, la mémoire
idéale possède une grande capacité avec des temps d'accès et temps de cycle
très restreints, un débit élevé et est non volatile.
Néanmoins les
mémoires rapides sont également les plus onéreuses. C'est la raison pour
laquelle des mémoire utilisant différentes technologiques sont utilisées dans
un ordinateur, interfacées les unes avec les autres et organisées de façon
hiérarchique.
Les mémoires les
plus rapides sont situées en faible quantité à proximité du processeur et les
mémoires de masse, moins rapides, servent à stocker les informations de manière
permanente.
Types de mémoires
3.11. Mémoire vive (RAM)
La mémoire vive,
généralement appelée RAM (Random Access Memory, traduisez mémoire
à accès direct), est la mémoire principale du système, c'est-à-dire qu'il
s'agit d'un espace permettant de stocker de manière temporaire des données lors
de l'exécution d'un programme.
En effet,
contrairement au stockage de données sur une mémoire de masse telle que le
disque dur, la mémoire vive est volatile, c'est-à-dire qu'elle permet
uniquement de stocker des données tant qu'elle est alimentée électriquement.
Ainsi, à chaque fois que l'ordinateur est éteint, toutes les données présentes
en mémoire sont irrémédiablement effacées.
On distingue
généralement deux grandes catégories de mémoires vives :
Les mémoires
dynamiques (DRAM, Dynamic Random Access Module), peu
coûteuses. Elles sont principalement utilisées pour la mémoire centrale de
l'ordinateur ;
Les mémoires
statiques (SRAM, Static Random Access Module), rapides et
onéreuses. Les SRAM sont notamment utilisées pour les mémoires cache du
processeur ;
Fonctionnement de la mémoire vive
La mémoire vive est
constituée de centaines de milliers de petits condensateurs emmagasinant
des charges. Lorsqu'il est chargé, l'état logique du condensateur est égal à 1,
dans le cas contraire il est à 0, ce qui signifie que chaque condensateur
représente un bit
de la mémoire.
Etant donné que les
condensateurs se déchargent, il faut constamment les recharger (le terme exact
est rafraîchir, en anglais refresh) à un intervalle de temps
régulier appelé cycle de rafraîchissement. Les mémoires DRAM nécessitent
par exemple des cycles de rafraîchissement est d'environ 15 nanosecondes (ns).
Chaque condensateur
est couplé à un transistor (de type MOS) permettant de « récupérer » ou
de modifier l'état du condensateur. Ces transistors sont rangés sous forme de
tableau (matrice), c'est-à-dire que l'on accède à une case mémoire
(aussi appelée point mémoire) par une ligne et une colonne.
Chaque point
mémoire est donc caractérisé par une adresse, correspondant à un numéro de
ligne (en anglais row) et un numéro de colonne (en anglais column).
Or cet accès n'est pas instantané et s'effectue pendant un délai appelé temps
de latence. Par conséquent l'accès à une donnée en mémoire dure un temps égal
au temps de cycle auquel il faut ajouter le temps de latence.
Ainsi, pour une
mémoire de type DRAM, le temps d'accès est de 60 nanosecondes (35ns de délai de
cycle et 25 ns de temps de latence). Sur un ordinateur, le temps de cycle
correspond à l'inverse de la fréquence de l'horloge, par exemple pour un
ordinateur cadencé à 200 MHz, le temps de cycle est de 5 ns (1/(200*106)).
Par conséquent un
ordinateur ayant une fréquence élevée et utilisant des mémoires dont le temps
d'accès est beaucoup plus long que le temps de cycle du processeur doit
effectuer des cycles d'attente (en anglais wait state) pour
accèder à la mémoire. Dans le cas d'un ordinateur cadencé à 200 MHz utilisant
des mémoires de types DRAM (dont le temps d'accès est de 60ns), il y a 11 cycles
d'attente pour un cycle de transfert. Les performances de l'ordinateur sont
d'autant diminuées qu'il y a de cycles d'attentes, il est donc conseillé
d'utiliser des mémoires plus rapides.
3.12.
Mémoire morte (ROM)
La mémoire morte,
appelée ROM pour Read Only Memory (traduisez mémoire en lecture
seule) est un type de mémoire permettant de conserver les informations qui
y sont contenues même lorsque la mémoire n'est plus alimentée électriquement. A
la base ce type de mémoire ne peut être accédée qu'en lecture. Toutefois il est
désormais possible d'enregistrer des informations dans certaines mémoires de
type ROM.
Différentes
mémoires de type ROM contiennent des données
indispensables au démarrage, c'est-à-dire :
Le BIOS est
un programme permettant de piloter les interfaces d'entrée-sortie principales
du système, d'où le nom de BIOS ROM donné parfois à la puce de mémoire morte de
la carte-mère qui l'héberge.
Le chargeur d'amorce: un programme
permettant de charger le système d'exploitation en mémoire (vive) et de le
lancer. Celui-ci cherche généralement le système d'exploitation sur le lecteur
de disquette, puis sur le disque dur, ce qui permet de pouvoir lancer le
système d'exploitation à partir d'une disquette système
en cas de dysfonctionnement du système installé sur le disque dur.
Le Setup CMOS : c'est l'écran
disponible à l'allumage de l'ordinateur permettant de modifier les paramètres
du système (souvent appelé BIOS à tort...).
Le Power-On Self Test (POST) :
programme exécuté automatiquement à l'amorçage du système permettant de faire
un test du système (c'est pour cela par exemple que vous voyez le système
"compter" la RAM
au démarrage).
Etant donné que les
ROM sont beaucoup plus lentes que les mémoires de types RAM (une ROM a
un temps d'accès de l'ordre de 150 ns tandis qu'une mémoire de type SDRAM a un
temps d'accès d'environ 10 ns), les instructions contenues dans la ROM sont parfois copiées en
RAM au démarrage, on parle alors de shadowing (en français cela pourrait se
traduire par ombrage, mais on parle généralement de mémoire fantôme).
Les types de ROM
Les ROM ont petit à
petit évolué de mémoires mortes figées à des mémoires programmables, puis
reprogrammables.
ROM
Les premières ROM
étaient fabriquées à l'aide d'un procédé inscrivant directement les données binaires dans
une plaque de silicium grâce à un masque. Ce procédé est maintenant obsolète.
PROM
Les PROM
(Programmable Read Only Memory) ont été mises au point à la fin des années 70
par la firme Texas Instruments. Ces mémoires sont des puces constituées de
milliers de fusibles (ou bien de diodes) pouvant être "grillés" grâce
à un appareil appelé « programmateur de ROM », appliquant une forte tension
(12V) aux cases mémoire devant être marquées. Les fusibles ainsi grillés
correspondent à des 0, les autres à des 1.
EPROM
Les EPROM (Erasable
Programmable Read Only Memory) sont des PROM pouvant être effacées. Ces puces
possèdent une vitre permettant de laisser passer des rayons ultra-violets.
Lorsque la puce est en présence de rayons ultra-violets d'une certaine longueur
d'onde, les fusibles sont reconstitués, c'est-à-dire que tous les bits de la
mémoire sont à nouveau à 1. C 'est
pour cette raison que l'on qualifie ce type de PROM d'effaçable.
EEPROM
Les EEPROM
(Electrically Erasable Read Only Memory) sont aussi des PROM effaçables, mais
contrairement aux EPROM, celles-ci peuvent être effacées par un simple courant
électrique, c'est-à-dire qu'elles peuvent être effacées même lorsqu'elles sont
en position dans l'ordinateur
3.13. Mémoire Flash
La mémoire flash
est une mémoire à semi-conducteurs, non volatile et réinscriptible,
c'est-à-dire une mémoire possédant les caractéristiques d'une mémoire vive mais
dont les données ne se volatilisent pas lors d'une mise hors tension. Ainsi la
mémoire flash stocke les bits de données dans des cellules de mémoire, mais les
données sont conservées en mémoire lorsque l'alimentation électrique est
coupée.
En raison de sa
vitesse élevée, de sa durabilité et de sa faible consommation, la mémoire flash
est idéale pour de nombreuses applications - comme les appareils photos
numériques, les téléphones cellulaires, les imprimantes, les assistants
personnels (PDA), les ordinateurs portables, ou les dispositifs de lecture ou
d'enregistrement sonore tels que les baladeurs mp3. De plus
ce type de mémoire ne possède pas d'éléments mécaniques, ce qui leur confère
une grande résistance aux chocs.
3.14. Différents types de mémoires de masse.
La mémoire de masse (appelée
également mémoire physique ou mémoire externe) permettant de
stocker des informations à long terme, y compris lors de l'arrêt de
l'ordinateur. La mémoire de masse correspond aux dispositifs de stockage
magnétiques, tels que le disque dur, aux dispositifs de
stockage optique, correspondant par exemple aux CD-ROM ou aux DVD-ROM, ainsi qu'aux mémoires mortes.
LE DISQUE DUR
Le disque dur
est l'organe servant à conserver les données de manière permanente,
contrairement à la mémoire vive, qui
s'efface à chaque redémarrage de l'ordinateur.
Le disque dur est
relié à la carte-mère par l'intermédiaire d'un contrôleur de disque dur
faisant l'interface entre le processeur et le disque dur. Le contrôleur de
disque dur gère les disques qui lui sont reliés, interprête les commandes
envoyées par le processeur et les achemine au disque concerné. On distingue
généralement les interfaces suivantes :
Avec l'apparition
de la norme USB, des boîtiers externes permettant de
connecter un disque dur sur un port USB ont fait leur apparition, rendant le
disque dur facile à installer et permettant de rajouter de la capacité de
stockage pour faire des sauvegardes. On parle ainsi de disque dur externe
par opposition aux disques durs internes branchés directement sur la carte mère, mais il
s'agit bien des mêmes disques, si ce n'est qu'ils sont connectés à l'ordinateur
par l'intermédiaire d'un boîtier branché sur un port USB.
Structure
Un disque
dur est constitué non pas d'un seul disque, mais de plusieurs disques rigides
(en anglais hard disk signifie disque dur) en métal, en verre ou
en céramique, empilés à une très faible distance les uns des autres et appelés plateaux
(en anglais platters).
Les disques
tournent très rapidement autour d'un axe (à plusieurs milliers de tours par
minute actuellement) dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Un
ordinateur fonctionne de manière binaire, c'est-à-dire que les données sont stockées
sous forme de 0 et de 1 (appelés bits). Il existe sur les disques durs des
millions de ces bits, stockés très proches les uns des autres sur une fine
couche magnétique de quelques microns d'épaisseur, elle-même recouverte d'un
film protecteur.
La lecture et
l'écriture se fait grâce à des têtes de lecture (en anglais heads)
situées de part et d'autre de chacun des plateaux. Ces têtes sont des
électro-aimants qui se baissent et se soulèvent pour pouvoir lire l'information
ou l'écrire. Les têtes ne sont qu'à quelques microns de la surface, séparées
par une couche d'air provoquée par la rotation des disques qui crée un vent
d'environ 250km/h ! De plus ces têtes sont mobiles latéralement afin de pouvoir
balayer l'ensemble de la surface du disque.
Cependant, les
têtes sont liées entre elles et seulement une seule tête peut lire ou écrire à
un moment donné. On parle donc de cylindre pour désigner l'ensemble des
données stockées verticalement sur la totalité des disques.
L'ensemble de cette
mécanique de précision est contenu dans un boîtier totalement hermétique, car
la moindre particule peut détériorer la surface du disque. Vous pouvez donc
voir sur un disque des opercules permettant l'étanchéité, et la mention "Warranty
void if removed" qui signifie littéralement "la garantie
expire si retiré" car seuls les constructeurs de disques durs peuvent
les ouvrir (dans des salles blanches, exemptes de particules).
Fonctionnement
Les têtes de
lecture/écriture sont dites « inductives », c'est-à-dire qu'elles sont capables
de générer un champ magnétique. C'est notamment le cas lors de l'écriture : les
têtes, en créant des champs positifs ou négatifs, viennent polariser la surface
du disque en une très petite zone, ce qui se traduira lors du passage en
lecture par des changements de polarité induisant un courant dans la tête de
lecture, qui sera ensuite transformé par un convertisseur analogique numérique
(CAN) en 0 et en 1 compréhensibles par l'ordinateur.
Les têtes
commencent à inscrire des données à la périphérie du disque (piste 0), puis
avancent vers le centre. Les données sont organisées en cercles concentriques
appelés « pistes », créées par le formatage de bas niveau.
Les pistes sont
séparées en quartiers (entre deux rayons) que l'on appelle secteurs,
contenant les données (au minimum 512 octets par secteur en général).
On appelle cylindre
l'ensemble des données situées sur une même piste sur des plateaux différents
(c'est-à-dire à la verticale les unes des autres) car cela forme dans l'espace
un "cylindre" de données. 
On appelle enfin cluster
(ou en français unité d'allocation) la zone minimale que peut occuper un
fichier sur le disque. En effet le système d'exploitation exploite des blocs
qui sont en fait plusieurs secteurs (entre 1 et 16 secteurs). Un
fichier minuscule devra donc occuper plusieurs secteurs (un cluster).
Sur les anciens
disques durs, l'adressage se faisait ainsi de manière physique en définissant
la position de la donnée par les coordonnées cylindre / tête / secteur
(en anglais CHS pour Cylinder / Head / Sector).
Mode bloc
Le mode bloc et le
transfert 32 bits permettent d'exploiter pleinement les performances de votre
disque dur. Le mode bloc consiste à effectuer des transferts de données par
bloc, c'est-à-dire par paquets de 512 octets généralement, ce qui évite au
processeur d'avoir à traiter une multitude de minuscules paquets d'un bit. Le
processeur a alors du "temps" pour effectuer d'autres opérations.
Ce mode de transfert des données n'a malheureusement une véritable utilité que sous d'anciens systèmes d'exploitation (tels que MS-DOS), car les systèmes d'exploitation récents utilisent leur propre gestionnaire de disque dur, ce qui rend ce gestionnaire obsolète.
Ce mode de transfert des données n'a malheureusement une véritable utilité que sous d'anciens systèmes d'exploitation (tels que MS-DOS), car les systèmes d'exploitation récents utilisent leur propre gestionnaire de disque dur, ce qui rend ce gestionnaire obsolète.
Une option du BIOS (IDE HDD
block mode ou Multi Sector Transfer) permet parfois de déterminer le nombre de
blocs pouvant être gérés simultanément. Ce nombre se situe entre 2 et 32. Si
vous ne le connaissez pas, plusieurs solutions s'offrent à vous :
Consulter la
documentation de votre disque dur ;
Rechercher les
caractéristiques du disque sur internet ;
Déterminer
expérimentalement en effectuant des tests.
Le mode bloc peut
toutefois générer des erreurs sous certains systèmes, à cause d'une redondance
de gestionnaire de disque dur. La solution consiste alors à désactiver l'un des
deux gestionnaires :
La gestion
logicielle du mode 32-bit sous le système d'exploitation ;
Le mode bloc dans
le BIOS.
Mode 32 bits
Le mode 32 bits
(par opposition au mode 16 bits) est caractérisé par un transfert des données
sur 32 bits. Le transfert sur 32 bits correspond à 32 portes qui s'ouvrent et
se ferment simultanément. En mode 32 bits, deux mots (ensemble de bits) de 16
bits sont transmis successivement, puis assemblés.
Le gain de
performance lié au passage du mode 16 bits au mode 32 bits est généralement
insignifiant. Quoiqu'il en soit il n'est la plupart du temps plus possible de
choisir le mode, car la carte mère dértermine automatiquement le type de mode à
adopter en fonction du type de disque dur.
La détermination
automatique du mode 32 bits peut toutefois ralentir les lecteurs de CD-ROM IDE
dont la vitesse est supérieure à 24x lorsqu'ils sont seuls sur une nappe IDE.
En effet, dans le cas où le lecteur de CD-ROM est seul sur la nappe, le BIOS
peut ne pas détecter sa compatibilité avec le mode 32 bits (puisqu'il cherche
un disque dur), auquel cas il passe en mode 16 bits. La vitesse de transfert
(appelée par abus de langage taux de transfert) est alors en dessous du taux de
transfert annoncé par le constructeur.
La solution dans ce
genre de cas consiste à brancher sur la même nappe que le lecteur de CD-ROM un
disque dur supportant le mode 32 bits.
Caractéristiques techniques
Capacité : volume de données pouvant
être stockées sur le disque.
Taux de transfert (ou débit) : quantité
de données pouvant être lues ou écrites sur le disque par unité de temps. Il
s'exprime en bits
par seconde.
Vitesse de rotation : vitesse à
laquelle les plateaux tournent, exprimée en tours par minutes (notés rpm pour
rotations par minute). La vitesse des disques durs est de l'ordre de 7200 à
15000 rpm. Plus la vitesse de rotation d'un disque est élevée meilleur est le
débit du disque. En revanche, un disque possédant une vitesse de rotation élevé
est généralement plus bruyant et chauffe plus facilement.
Temps de latence (aussi appelé délai
rotationnel) : temps écoulé entre le moment où le disque trouve la piste et le
moment où il trouve les données.
Temps d'accès moyen : temps moyen que
met la tête pour se positionner sur la bonne piste et accéder à la donnée. Il
représente donc le temps moyen que met le disque entre le moment où il a reçu
l'ordre de fournir des données et le moment où il les fournit réellement. Il
doit ainsi être le plus court possible.
Densité radiale : nombre de pistes par
pouce (tpi: Track per Inch).
Densité linéaire : nombre de bits par
pouce sur une piste donnée (bpi: Bit per Inch).
Densité surfacique : rapport de la
densité linéaire sur la densité radiale (s'exprime en bits par pouce carré).
Mémoire cache (ou mémoire tampon) :
quantité de mémoire embarquée sur le disque dur. La mémoire cache permet de
conserver les données auxquelles le disque accède le plus souvent afin
d'améliorer les performances globales ;
Interface : il s'agit de la connectique
du disque dur. Les principales interfaces pour disques durs sont les
suivantes :
IDE/ATA ;
SCSI ;
Il existe par
ailleurs des boîtiers externes permettant de connecter des disques durs en USB ou firewire.
CD-ROM
Le Compact Disc a
été inventé par Sony et Philips en 1981 afin de constituer un support audio
compact de haute qualité permettant un accès direct aux pistes numériques. Il a
été officiellement lancé en octobre 1982. En 1984, les spécifications du
Compact Disc ont été étendues (avec l'édition du Yellow Book) afin
de lui permettre de stocker des données numériques.
La géométrie du CD
Le CD (Compact
Disc) est un disque optique de 12 cm de diamètre et de 1.2 mm d'épaisseur
(l'épaisseur peut varier de 1.1 à 1.5 mm ) permettant de stocker des informations
numériques, c'est-à-dire correspondant à 650 Mo de données informatiques
(soient 300 000 pages dactylographiées) ou bien jusqu'à 74 minutes de données
audio. Un trou circulaire de 15
mm de diamètre en son milieu permet de le centrer sur la
platine de lecture.
La composition du CD
Le CD est constitué
d'un substrat en matière plastique (polycarbonate) et d'une fine pellicule
métallique réfléchissante (or 24 carat ou alliage d'argent). La couche
réfléchissante est recouverte d'une laque anti-UV en acrylique créant un film
protecteur pour les données. Enfin, une couche supplémentaire peut être ajoutée
afin d'obtenir une face supérieure imprimée.
La couche
réfléchissante possède de petites alvéoles. Ainsi lorsque le laser traverse le
substrat de polycarbonate, la lumière est réfléchie sur la couche
réfléchissante, sauf lorsque le laser passe sur une alvéole, c'est ce qui
permet de coder l'information.
Cette information
est stockée sur 22188 pistes gravées en spirales (il s'agit en réalité d'une
seule piste concentrique).
Les CD achetés dans
le commerce sont pressés, c'est-à-dire que les alvéoles sont réalisées grâce à
du plastique injecté dans un moule contenant le motif inverse. Une couche
métallique est ensuite coulée sur le substrat en polycarbonate, et cette couche
métallique est elle-même prise sous une couche protectrice.
Les CD vierges
par contre (CD-R) possèdent une couche supplémentaire (située entre le
substrat et la couche métallique) composée d'un colorant organique (en anglais dye)
pouvant être marqué (le terme brûler est souvent utilisé) par un laser
de forte puissance (10 fois celle nécessaire pour la lecture). C'est donc la
couche de colorant qui permet d'absorber ou non le faisceau de lumière émis par
le laser.
Fonctionnement
La tête de lecture
est composé d'un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation) émettant un faisceau lumineux et d'une cellule photoélectrique
chargée de capter le rayon réfléchi. Le laser utilisé par les lecteurs de CD
est un laser infrarouge (possédant une longueur d'onde de 780 nm) car il est
compact et peu coûteux. Une lentille située à proximité du CD focalise le
faisceau laser sur les alvéoles.
Un miroir semi
réfléchissant permet à la lumière réfléchie d'atteindre la cellule
photoélectrique, comme expliqué sur le dessin suivant :
Un chariot est
chargé de déplacer le miroir de façon à permettre à la tête de lecture
d'accéder à l'intégralité du CD-ROM.
On distingue
généralement deux modes de fonctionnement pour la lecture de CD :
La lecture à vitesse
linéaire constante (notée CLV soit constant linear velocity).
Il s'agit du mode de fonctionnement des premiers lecteurs de CD-ROM, basé sur
le fonctionnement des lecteurs de CD audio ou bien même des vieux
tourne-disques. Lorsqu'un disque tourne, la vitesse des pistes situées au
centre est moins importante que celle des pistes situées sur l'extérieur, ainsi
il est nécessaire d'adapter la vitesse de lecture (donc la vitesse de rotation
du disque) en fonction de la position radiale de la tête de lecture. Avec ce
procédé la densité d'information est la même sur tout le support, il y a donc
un gain de capacité. Les lecteurs de CD audio possèdent une vitesse linéaire
comprise entre 1.2 et 1.4 m/s.
La lecture à
vitesse de rotation angulaire constante (notée CAV pour constant
angular velocity) consiste à ajuster la densité des informations selon
l'endroit où elles se trouvent afin d'obtenir le même débit à vitesse de
rotation égale en n'importe quel point du disque. Cela crée donc une faible
densité de données à la périphérie du disque et une forte densité en son
centre.
La vitesse de
lecture du lecteur de CD-ROM correspondait à l'origine à la vitesse de lecture
d'un CD audio, c'est-à-dire un débit de 150 ko/s. Cette vitesse a par la suite
été prise comme référence et notée 1x. Les générations suivantes de
lecteurs de CD-ROM ont été caractérisées par des multiples de cette valeur. Le
tableau suivant donne les équivalences entre les multiples de 1x et le
débit :
|
|
Débit
|
Temps de réponse
|
|
1x
|
150 ko/s
|
400 à 600 ms
|
|
2x
|
300 ko/s
|
200 à 400 ms
|
|
3x
|
450 ko/s
|
180 à 240 ms
|
|
4x
|
600 ko/s
|
150 à 220 ms
|
|
6x
|
900 ko/s
|
140 à 200 ms
|
|
8x
|
1200 ko/s
|
120 à 180 ms
|
|
10x
|
1500 ko/s
|
100 à 160 ms
|
|
12x
|
1800 ko/s
|
90 à 150 ms
|
|
16x
|
2400 ko/s
|
80 à 120 ms
|
|
20x
|
3000 ko/s
|
75 à 100 ms
|
|
24x
|
3600 ko/s
|
70 à 90 ms
|
|
32x
|
4500 ko/s
|
70 à 90 ms
|
|
40x
|
6000 ko/s
|
60 à 80 ms
|
|
52x
|
7800 ko/s
|
60 à 80 ms
|
Le codage des
informations
La piste physique
est en fait constituée d'alvéoles d'une profondeur de 0,168µm, d'une largeur de
0,67µm et de longueur variable. Les pistes physiques sont écartées entre elles
d'une distance d'environ 1.6µm. On nomme creux (en anglais pit)
le fond de l'alvéole et on nomme plat (en anglais land) les
espaces entre les alvéoles.
Le laser utilisé
pour lire les CD a une longueur d'onde de 780 nm dans l'air. Or l'indice de
réfraction du polycarbonate étant égal à 1.55, la longueur d'onde du laser dans
le polycarbonate vaut 780 / 1.55 = 503nm = 0.5µm.
La profondeur de
l'alvéole correspond donc à un quart de la longueur d'onde du faisceau laser,
si bien que l'onde se réfléchissant dans le creux parcourt une moitié de
longueur d'onde de plus (un quart à l'aller plus un quart au retour) que celle
se réfléchissant sur le plat.
De cette façon,
lorsque le laser passe au niveau d'une alvéole, l'onde et sa réflexion sont
déphasées d'une demi-longueur d'onde et s'annulent (interférences
destructrices), tout se passe alors comme si aucune lumière n'était réfléchie.
Le passage d'un creux à un plat provoque une chute de signal, représentant un
bit.
C'est la longueur
de l'alvéole qui permet de définir l'information. La taille d'un bit sur le CD,
notée "T", est normalisée et correspond à la distance parcourue par
le faisceau lumineux en 231.4 nanosecondes, soit 0.278µm à la vitesse
standard minimale de 1.2 m/s.
D'après le standard
EFM (Eight-to-Fourteen Modulation), utilisé pour le stockage
d'information sur un CD, il doit toujours y avoir au minimum deux bits à 0
entre deux bits consécutifs à 1 et il ne peut y avoir plus de 10 bits
consécutifs à zéro entre deux bits à 1 pour éviter les erreurs. C'est pourquoi
la longueur d'une alvéole (ou d'un plat) correspond au minimum à la longueur
nécessaire pour stocker la valeur OO1 (3T, c'est-à-dire 0.833µm)
et au maximum à la longueur correspondant à la valeur 00000000001 (11T,
soit 3.054µm).
Structure
logique
Un CD-R, qu'il soit
audio ou CD-ROM, est constitué, d'après le Orange Book, de trois
zones constituant la zone d'information (information area) :
La zone Lead-in
Area (parfois notée LIA) contenant uniquement des informations
décrivant le contenu du support (ces informations sont stockées dans la TOC , Table of
Contents). La zone Lead-in s'étend du rayon 23 mm au rayon 25 mm . Cette taille est
imposée par le besoin de pouvoir stocker des informations concernant un maximum
de 99 pistes. La zone Lead-in sert au lecteur de CD à suivre les creux
en spirale afin de se synchroniser avec les données présentes dans la zone
programme
La zone Programme
(Program Area) est la zone contenant les données. Elle commence à partir
d'un rayon de 25 mm ,
s'étend jusqu'à un rayon de 58mm et peut contenir l'équivalent de 76 minutes de
données. La zone programme peut contenir un maximum de 99 pistes (ou sessions)
d'une longueur minimale de 4 secondes.
La zone Lead-Out
(parfois notée LOA) contenant des données nulles (du silence pour un CD
audio) marque la fin du CD. Elle commence au rayon 58 mm et doit mesurer
au moins O.5 mm d'épaisseur (radialement). La zone lead-out doit ainsi
contenir au minimum 6750 secteurs, soit 90 secondes de silence à la vitesse
minimale (1X).
Un CD-R contient,
en plus des trois zones décrites ci-dessus, une zone appelée PCA (Power
Calibration Area) et une zone PMA (Program Memory Area)
constituant à elles deux une zone appelé SUA (System User Area).
Caractéristiques
techniques
Un lecteur CD-ROM
est caractérisé par les éléments suivants :
Vitesse: la
vitesse est calculée par rapport à la vitesse d'un lecteur de CD-Audio (150
Ko/s). Un lecteur allant à 3000Ko/s sera qualifié de 20X (20 fois plus rapide
qu'un lecteur 1X).
Temps d'accès
: il représente le temps moyen pour aller d'une partie du CD à une autre.
Interface :
ATAPI (IDE) ou SCSI ;
La disquette :
Le lecteur de
disquettes permet de sauvegarder et de lire des disquettes. Seulement, il est
en voie de disparition car la capacité n'est que de 1.44 Mo, voire pire : 720
Ko ! De plus il est très lent. C'est pour cette raison qu'on lui préfère le CD.
La disquette
contient un petit disque en matière plastique pouvant être magnétisé. Cette
couche sert à recevoir les données.
Au milieu de la
disquette se trouve un axe permettant de la faire tourner par le lecteur. Sur
le bord de la disquette se trouve un orifice protégé par un volet métallique
coulissant : c'est l'orifice de lecture/écriture. Ce volet métallique est
poussé vers le côté au moment de l'insertion de la disquette.
Une disquette est
composée d'un disque que l'on pourrait comparer à un plateau du disque dur.
La disquette
comporte un petit taquet : il indique si le mode lecture seule est activé ou
non. Vous pouvez le déplacer. Le trou à gauche : si une disquette à un trou à
gauche, cela signifie qu'elle est haute densité. Vous aurez donc plus de place
pour vos données à taille égale de disque.
3.15.
Bus d'extension
On appelle bus
d'extension (parfois Bus de périphérique ou en anglais expansion
bus) les bus possédant des connecteurs permettant d'ajouter des cartes
d'extension (périphériques) à l'ordinateur. Il existe différents types de bus
internes normalisés caractérisés par :
Leur forme,
Le nombre de
broches de connexion,
Le type de signaux
(fréquence, données, etc).
Le bus ISA
La version
originale du bus ISA (Industry Standard Architecture), apparue en
1981 avec le PC XT, était un bus d'une largeur de 8 bits cadencé à une
fréquence de 4,77 MHz.
En 1984, avec
l'apparition du PC AT (processeur Intel 286), la largeur du bus est
passée à 16 bits et la fréquence successivement de 6 à 8 MHz, puis finalement
8,33 MHz, offrant ainsi un débit théorique maximal de 16 Mo/s (en pratique
seulement 8 Mo/s dans la mesure où un cycle sur deux servait à l'adressage).
Le bus ISA
permettait le bus mastering, c'est-à-dire qu'il permettait de
communiquer directement avec les autres périphériques sans passer par le
processeur. Une des conséquences du bus mastering est l'accès direct
à la mémoire (DMA, pour Direct Memory Access). Toutefois le
bus ISA ne permettait d'adresser que les 16 premiers mégaoctets de la mémoire vive.
Jusqu'à la fin des
années 1990 le bus ISA équipait la quasi-totalité des ordinateurs de type PC,
puis il a été progressivement remplacé par le bus PCI, offrant de meilleures performances.
Connecteur ISA 8
bits :
Connecteur ISA 16
bits :
Le bus MCA
Le bus MCA (Micro
Channel Architecture) est un bus propriétaire amélioré conçu par IBM en
1987 afin d'équiper leur gamme d'ordinateurs PS/2. Ce bus, d'une largeur de 16
et 32 bits, était incompatible avec le bus ISA et permettait d'obtenir un taux
de transfert de 20 Mo/s.
Le bus EISA
Le bus EISA
(Extended Industry Standard Architecture), a été mis au point en 1988
par un consortium de sociétés (AST, Compaq, Epson, Hewlett-Packard, NEC,
Olivetti, Tandy, Wyse and Zenith), afin de concurrencer le bus propriétaire MCA
lancé par IBM l'année précédente. Le bus EISA utilisait des connecteurs de même
dimension que le connecteur ISA, mais avec 4 rangées de contacts au lieu de 2,
permettant ainsi un adressage sur 32 bits.
Les connecteurs
EISA étaient plus profonds et les rangées de contacts supplémentaires étaient
placées en dessous des rangées de contacts ISA. Il était ainsi possible
d'enficher une carte ISA dans un connecteur EISA. Elle rentrait cependant moins
profondément dans le connecteur (grâce à des ergots) et n'utilisait ainsi que
les rangées de contacts supérieures (ISA).
Notion de bus local
Les bus
d'entrée-sortie traditionnels, tels que le bus ISA, MCA ou EISA, sont
directement reliés au bus principal et sont donc forcés de fonctionner à la
même fréquence, or certains périphériques d'entrée-sortie nécessitent une
faible bande passante tandis que d'autres ont besoin de débits plus élevés : il
existe donc des goulots d'étranglement sur le bus (en anglais le terme
« bottleneck », littéralement « goulot de bouteille »
est couramment utilisé). Afin de remédier à ce problème l'architecture dite de
« bus local » (en anglais local bus) propose de tirer
partie de la vitesse du bus processeur (FSB) en s'interfaçant
directement sur ce dernier.
Le bus VLB
En 1992 le bus
local VESA (VLB pour VESA Local Bus) a été mis au point par
l'association VESA (Video Electronics Standard Association sous
l'égide de la société NEC) afin de proposer un bus local dédié aux
systèmes graphiques. Il s'agit d'un connecteur ISA 16-bits auquel vient
s'ajouter un connecteur supplémentaire de 16 bits :
Le bus VLB est
ainsi un bus 32-bit prévu initialement pour fonctionner à une fréquence de 33
MHz (fréquence des premiers PC 486 de l'époque). Le bus local VESA a été
utilisé sur les modèles suivants de 486 (respectivement 40 et 50 MHz) ainsi que
sur les tout premiers Pentium, mais il a rapidement été remplacé par le bus PCI.
4. Représentation des informations :
Quelles que soient les informations manipulées par
l’ordinateur celles-ci sont codées finalement en binaire, c’est à dire à base
de 0 et de 1.
Un chiffre 0 ou 1 est appelé un bit (contraction de binary
digit).
L’objet de ce document est d’expliquer comment chacune
des informations manipulées par l’ordinateur est traduite en une suite de bits.
On dit qu’elles sont codées en binaire.
4.1. Le codage binaire
4.1.1. La base 2
Pour coder un nombre en base 2, il faut le décomposer
en une suite de multiples de 2. C’est à dire que l’on va l’écrire sous la forme :
X = an*2n
+ an-1*2n-1 + .... + a2*22 + a1*21
+ a0*20
Chaque valeur an, an-1, … , a2,
a1, a0 est égale à 0 ou 1.
Pour faire des conversions en binaire, il est utile de
connaître le début de la table des multiples de 2 :
|
20
|
1
|
|
21
|
2
|
|
22
|
4
|
|
23
|
8
|
|
24
|
16
|
|
25
|
32
|
|
26
|
64
|
|
27
|
128
|
|
28
|
256
|
|
29
|
512
|
|
210
|
1024
|
Exemples :
12 = 8 + 4 = 1*23 + 1*22 + 0*21
+ 0*20 = (1 1 0 0)2
5 = 4 + 1 = 1*22 + 0*21 + 1*20
= (1 0 1)2
27 = 16 + 8 + 2 + 1 = 1*24 + 1*23
+ 0*22 + 1*21 + 1*20 = (1 1 0 1 1)2
(1 0 1 0 1 0)2 = 1*25 + 0*24
+ 1*23 + 0*22 + 1*21 + 0*20 = 32+ 8
+ 2 = 42
4.1.2. L’Octal
L’octal est le codage en base 8. Suivant le même
principe on utilise les chiffres entre 0 et 7 pour coder les nombres en octal.
X = an*8n
+ an-1*8n-1 + .... + a2*82 + a1*81
+ a0*80
Chaque valeur an, an-1, … , a2,
a1, a0 est comprise entre 0 et 7.
Pour faire des conversions en octal, il est utile de
connaître le début de la table des multiples de 8 :
|
80
|
1
|
|
81
|
8
|
|
82
|
64
|
|
83
|
512
|
Exemples :
12 = 8 + 4 = 1*81 + 4*80 = (1 4)8
121 = 64 + 56 + 1 = 1*82 + 7*81
+ 1*80 = (1 7 1)8
(3 0)8 = 3*81 + 0*80
= 24
Il est intéressant de noter qu’un chiffre octal peut
se coder directement en binaire sur 3 bits.
|
0
|
000
|
|
1
|
001
|
|
2
|
010
|
|
3
|
011
|
|
4
|
100
|
|
5
|
101
|
|
6
|
110
|
|
7
|
111
|
De sorte que la conversion binaire/octal et
octal/binaire est très simple.
 |
|||||||||
 |
 |
 |
 |
Binaire :
10 101 011 001 110
 |
|||||||||
 |
 |
 |
 |
||||||
Octal : 2 5 3 1 6
Il suffit de grouper les bits par 3 en partant de la
droite et de traduire.
4.1.3. L’Hexadécimal
L’hexadécimal est le codage en base 16. On utilise
cette fois les chiffres entre 0 et 9 puis les lettres A(10) B(11) C(12) D(13)
E(14) F(15).
X = an*16n
+ an-1*16n-1 + .... + a2*162 + a1*161
+ a0*160
Chaque valeur an, an-1, … , a2,
a1, a0 est comprise entre 0 et 15.
Pour faire des conversions en hexadécimal, il est
utile de connaître le début de la table des multiples de 16 :
|
160
|
1
|
|
161
|
16
|
|
162
|
256
|
Exemples :
18 = 16 + 2 = 1*161 + 2*160 = (1
2)16
125 = 112 + 13 = 7*161 + 13*160
= (7 D)16
(A B)16 = 10*161 + 11*160
= 160 + 11 = 171
Il est intéressant de noter qu’un chiffre hexadécimal
peut se coder directement en binaire sur 4 bits.
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0
|
0000
|
|
8
|
1000
|
|
1
|
0001
|
|
9
|
1001
|
|
2
|
0010
|
|
A
|
1010
|
|
3
|
0011
|
|
B
|
1011
|
|
4
|
0100
|
|
C
|
1100
|
|
5
|
0101
|
|
D
|
1101
|
|
6
|
0110
|
|
E
|
1110
|
|
7
|
0111
|
|
F
|
1111
|
De sorte que, la conversion binaire/hexadécimal et
hexadécimal/binaire est très simple.
 |
 |
 |
 |
 |
Binaire :
10 1001 0101 0001 1110
 |
 |
 |
 |
 |
|||||
Hexadécimal :
2 9 5 1 E
Il suffit de grouper les bits par 4 en partant de la
droite et de traduire.
4.2.
LA
REPRESENTATION DES INFORMATIONS
4.2.1. Les instructions
Les instructions exécutables par la machine sont
celles contenues dans le jeu d’instructions du microprocesseur (voir support de
cours sur la structure de la machine).
Chacune de ces instructions possède un code opération
qui permet de l’identifier. Pour chaque instruction, on indique également des
opérandes.
L’ensemble est codé sur un mot de 16 ou 32 bits
suivant la machine.
|
COP
|
Opérandes
|
Chaque instruction sait comment décoder la partie
opérandes.
4.2.2. Les données
Les données non numériques
Les données non numériques correspondent aux
caractères alphanumériques (A,B,C,...,1,2,3,...,a,b,c,...) et aux caractères
spéciaux (ponctuation et autres).
Le codage est fait en utilisant une table de
conversion.
Le code ASCII
Le code ASCII (American Standard Code for Information
Interchange) est celui le plus généralement utilisé dans les ordinateurs
d’aujourd’hui.
Voir table en annexe.
Tout caractère est codé sur un octet, c’est à dire 8 bits.
Une donnée numérique stockée dans une variable de type
caractère ou chaîne de caractères sera codée en ASCII.
Exemples :
"an" ---> 2 octets (61)16
(6E)16 (01100001)2
(01101110)2
"12" ---> 2 octets (31)16
(32)16 (00110001)2
(00110010)2
Le code EBCDIC
Le code EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange
Code), essentiellement utilisé par IBM est également un code représentant les
caractères sur un octet.
L’octet est divisé en deux demi-octets de
signification différente :
|
|
ZONE
|
NUMERIQUE
|
|
  |
4 bits
|
4 bits
|
|
|
|
|
|
|
|
type de caractères
|
|
|
rang du caractère
dans le type
|
Exemples :
"AN" ---> 2 octets (C1)16
(CE)16 (11000001)2
(11001110)2
"12" ---> 2 octets (F1)16
(F2)16 (11110001)2
(11110010)2
Les données numériques
Pour coder les informations numériques, il existe
différents systèmes de codage suivant la nature des données, l’utilisation que
l’on veut en faire et la précision souhaitée.
Les entiers positifs ou nuls
Pour coder un entier positif ou nul, on utilise le
codage binaire pur. C’est à dire que l’on convertit la donnée comme indiqué au
chapitre 2.
La donnée est stockée dans un mot mémoire. Suivant la
machine, un mot mémoire a une taille variable généralement 16 bits, mais ce
peut être aussi sur certaines machines 8 bits (ex : PC-XT), 32 bits
(ex : Pentium ou Motorola), voire 64 bits (machines scientifiques).
Par conséquent les entiers que l’on peut coder avec ce
système doivent être compris entre 0 et 2n-1 (n étant le nombre de
bits du mot).
Exemple : si n = 16 les entiers sont
compris entre 0 et 65536
Les entiers signés
Pour coder les entiers signés, on procède de la même
façon sauf que l’on n’utilise pas le premier (ou parfois le dernier) bit du
mot.
Celui-ci sert à coder le signe (1 négatif, 0 positif)
Les entiers sont alors compris entre : - (2n-1
-1) et + (2n-1 -1)
Exemple : si n = 16, les entiers sont
compris entre - 32767 et + 32767
Les réels en virgule flottante
On convient d’écrire les nombres réels sous la forme
suivante :
X = S * M * 10E
S est le signe du nombre
M est appelé la mantisse
E est l’exposant encore appelé caractéristique
On utilise alors 4 ou 8 octets suivant la précision
souhaitée pour coder le nombre.
La mantisse fait donc 24 bits en simple précision et 56 bits en double
précision.
En simple précision un réel doit donc être compris
entre :
- (224 - 1)*1063 à + (224
- 1)*1063
Pour ne pas avoir à se préoccuper du signe de la
caractéristique on convient d’ajouter 64 à la caractéristique. De la sorte, une
caractéristique codée 0 représente une caractéristique réelle de -64 et une
caractéristique réelle codée 127 représente une caractéristique réelle de 63.
Exemples :
0,00123 = 123*10-5 bit de signe 0
caractéristique 0111011 (59)
mantisse 000000000000000001111011
-1253,12 = -125312*10-2 bit de signe 1
caractéristique 0111110
mantisse ..........
106 bit de signe 0
caractéristique 1000110
mantisse 0000000000000000000000001
La mantisse fait donc 24 bits en simple précision et 56
bits en double précision.
En simple précision un réel doit donc être compris
entre :
- (224 - 1)*1063 à + (224
- 1)*1063
Pour ne pas avoir à se préoccuper du signe de la
caractéristique on convient d’ajouter 64 à la caractéristique. De la sorte, une
caractéristique codée 0 représente une caractéristique réelle de -64 et une
caractéristique réelle codée 127 représente une caractéristique réelle de 63.
Exemples :
0,00123 = 123*10-5 bit de signe 0
caractéristique 0111011 (59)
mantisse 000000000000000001111011
-1253,12 = -125312*10-2 bit de signe 1
caractéristique 0111110
mantisse ..........
106 bit de signe 0
caractéristique 1000110
mantisse 0000000000000000000000001
5. Séquence d’amorçage
La séquence de démarrage c'est toutes les étapes qui vont
être exécutées dès le moment ou vous allez démarrer votre ordinateur. Il y a
plusieurs éléments qui entrent en jeu durant cette séquence. A quoi sert de
connaître cette séquence ? Tout simplement en cas de problème, à mieux
identifier celui-ci et à mieux le résoudre. Et aussi bien entendu à mieux
connaître votre ordinateur.
La séquence que je vais décrire ici est la séquence standard
pour un système fonctionnant avec un système d'exploitation Windows.
Pour commencer, dès le moment où vous allez appuyer sur le
bouton de mise sous tension de votre PC, une impulsion électrique va être
envoyée à l'alimentation depuis la carte mère. Laquelle va ensuite produire du
courant, courant qui va allumer le Bios.
5.1. Le BIOS ou séquence POST
Le BIOS s'occupe de tester et d'initialiser tous les
matériels. On appelle aussi cette partie la séquence POST (Power On Self Test)
ou encore séquence préboot. C'est la séquence durant laquelle tous les
composants vont être testés de même que leur compatibilité. Si la séquence POST
ne passe pas, le système n'ira pas plus loin et votre OS ne sera pas lancé. Il
va commencer par contrôler le bus système et va vérifier ensuite tous les
connecteurs d'extension. Il va continuer en vérifiant la mémoire de la carte
graphique et les signaux commandant l'affichage. Ensuite, il va interroger le
BIOS de la carte vidéo et ajouter son code de reconnaissance. C'est à partir de
ce moment-là que les premiers affichages arrivent à l'écran. Il va tester la RAM , pour cela, il tente une
écriture sur chaque zone mémoire et tente de lire ensuite pour les comparer à
ce qu'il a écrit. Il vérifie si le clavier et la souris sont bien connectés.
Ensuite, il envoie des signaux à tous les périphériques de stockage (disquette,
cd, HDD, USB, …) pour définir quels sont les différents lecteurs. Tous les
résultats sont comparés sur le CMOS, ce qui permet au BIOS de savoir si la configuration
matérielle a changé depuis le dernier démarrage ou pas. Ensuite, il intègre les
identifiants de tous les composants ayant un BIOS.
Ensuite, les tests matériels validés, il va tenter d'amorcer
en mémoire le secteur d'amorce principal du disque dur aussi appelé MBR.
Il y a pas mal d'erreurs qui peuvent se produire durant
cette phase, elles sont le plus souvent d'ordre matériel, par exemple une
barrette de RAM mal branchée ou un composant manquant ou encore une
incompatibilité entre 2 matériels. Ces erreurs sont indépendantes du système
d'exploitation.
5.2. Le MBR
Le MBR (Master Boot Record) ou table de partition en
français, permet de trouver la partition active du disque. Une fois que cette
partition est identifiée, le MBR va charger le secteur de boot correspondant et
transférer ensuite l'exécution à ce dernier.
Les erreurs pouvant arriver à ce stade du démarrage sont
souvent d'ordre de stockage. C'est-à-dire qu'il peut y avoir plusieurs
partitions actives, ou aucun support de stockage valable. Ou alors, il peut
arriver que la table de partition soit altérée.
5.3. Le secteur de boot
Une fois que le MBR lui a donné la main, le secteur de boot
va charger les 15 secteurs qui le suivent sur le disque et va ensuite
transférer le contrôle à un programme présent sur ces secteurs. Ces 15 premiers
secteurs sont appelés " Boostrap Code " et s'occupent de localiser
puis de transférer l'exécution au fichier NTLDR.
Les erreurs qui peuvent arriver à ce niveau sont encore une
fois surtout des problèmes hardware. C'est-à-dire que par exemple un des
secteurs qu'il doit charger est manquant. Ou alors que le disque sur lequel on
démarre n'a pas de NTLDR, donc on ne peut pas booter dessus. Ou alors, il peut
arriver qu'il y aie un problème avec le fichier NTLDR.
5.4. NTLDR
C'est le chargeur d'amorçage de Windows. C'est lui qui va
savoir quels windows sont installés et lequel il faut lancer. Il commence par
charger les pilotes du système de fichier approprié. Ensuite, en fonction du
fichier Boot.ini, il va définir quels sont les systèmes d'exploitations qu'il
peut lancer et s'il y en a plusieurs, il va les afficher à l'écran et demander
à l'utilisateur d'en choisir un. Il charge le programme NTDETECT qui va ensuite
détecter le matériel du pc. Il charge plusieurs dll qui vont permettre
d'effectuer la suite du travail. Il charge la majorité de la base de registre
(le reste étant chargé plus tard par le système d'exploitation). Et enfin, il
donne le contrôle à NTOSKRNL.exe.
Les problèmes qui peuvent arriver ici sont surtout des problèmes
liés aux fichiers qui doivent être lancés, par exemple un fichier qui manque ou
alors un problème d'accès à un des fichiers.
5.5. NTOSKRNL.exe
Nous voilà à la fin de la séquence de démarrage du PC, cette
fois, le noyau NT va se lancer définitivement et va charger le programme de
logon et nous allons nous retrouver sur notre bon vieux Windows.
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Pour
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de référence
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