L'informatique (suite)

Bus informatique

bus VME

Un bus informatique est un système de communication entre les composants d'un ordinateur. Ce terme regroupe habituellement le matériel constituant le support de communication (nappe, câble, fibre optique, piste, etc....) et le logiciel. Ces deux aspects sont liés. Les caractéristiques du support matériel conditionnent en partie le type de communication, le protocole de communication impose des types de matériel.

Par exemple, le front side bus relie le microprocesseur à la mémoire vive sur de nombreux ordinateurs, et le bus PCI relie soit le microprocesseur, soit un autre composant appelé chipset d'un ordinateur aux connecteurs d'extension du même nom, et aux cartes placée dans ces connecteurs.

Description

Les bus sont situés à l'intérieur d'un même ordinateur et permettent de connecter les différentes parties fonctionnelles de cet ordinateur entre elles.

Les informations transmises peuvent être les informations utiles à échanger entre les dispositifs ou des informations de contrôle permettant de gérer l'état du bus lui-même.

Un bus est souvent caractérisé par une fréquence et le nombre de bits d'informations qu'il peut transmettre simultanément. Lorsqu'un bus peut transmettre plus d'un bit d'information simultanément on parlera d'un bus parallèle, sinon d'un bus série. La fréquence donnée est tantôt la fréquence du signal électrique sur le bus, tantôt la cadence de transmission des informations, qui peut être un multiple de la fréquence du signal.

Vue logique de bus informatique

Ainsi un bus de 32 bits dont le signal a une fréquence de 33 ^1/3  mégahertz peut transmettre 32 × 33,33 × 10⁶ bits par seconde soit 1,0666×10⁹ bits par seconde, soit 133 Mo/s. Ce résultat doit encore être multiplié si la cadence des informations est un multiple du signal.

Les technologies utilisées pour fabriquer les bus sont variées, conducteurs électriques gravés sur un circuit imprimé, câble, fibre optique, etc...

Bus interne

Le bus interne, également connu sous le nom de bus de données, bus mémoire ou système de bus ou encore front-side-bus, relie tous les composants internes d'un ordinateur, tels que le processeur et la mémoire, à la carte mère. Le bus de données interne est également considéré comme un bus local, parce qu'ils est destiné à se connecter à des périphériques locaux. Ce bus est généralement assez rapide et est indépendant du reste des opérations informatiques.

Bus externe

Le bus externe, également connu sous le nom de "bus d'expansion", est constitué des signaux électroniques qui relient l'ordinateur (la carte mère) à différents dispositifs externes, tels que l'imprimante, etc....Pour confondre les questions, il était courant dans le passé de classer les systèmes de bus selon le système de communication qu'ils utilisent, série ou parallèle. De nombreux systèmes modernes peuvent fonctionner en utilisant un mode ou l'autre, en fonction de l'application.

Bus parallèle

Matériel

D'un point de vue physique, ce type de bus est un ensemble de conducteurs électriques parallèles. A chaque cycle de temps, chaque conducteur transmet un bit.

Ces bus ont donc une taille en nombre de conducteurs, et une taille en bits.Les tailles les plus courantes (en bits) sont: 8, 16, 32, 64 ou plus. Lorsqu'on parle de la taille d'un bus, cela signifie qu'il s'agit du nombre d'informations (ou bits) que le bus peut transmettre en un cycle, sans compter les informations de contrôle.

Certains conducteurs supplémentaires sont affectés à la transmission des signaux de contrôles du bus et de validation des signaux de donnée.

Fonctionnement 

Le bus sert à transmettre un entier informatique de la taille du bus. Les différents bits du bus ont chacun un poids différent numéroté de zéro à N-1 où N est la taille du bus. Par exemple pour un bus quatre bits on peut transmettre 16 valeurs différentes (2⁴ = 16).

L'émetteur positionne au même instant tous les bits du bus. Au moment adéquat le composant lecteur lira tous les bits en même temps. Cet instant adéquat peut être déterminé par des signaux de contrôle qui changera de valeur pour signaler au dispositif lecteur qu'il est temps de lire les données sur le bus.

Ce type de bus souffre d'un défaut inhérent à son principe: bien que l'émetteur positionne au même instant tous les bits, les câbles qui les transportent jusqu'au récepteur peuvent ne pas avoir précisément les mêmes caractéristiques électriques (une nappe de conducteurs tordue par exemple) ou même ne pas avoir la même longueur: cela force l'émetteur à maintenir l'état de chaque groupe de bits à transmettre pendant un temps suffisant pour garantir une réception sans erreur à l'autre bout de la liaison, ce qui réduit le débit maximal d'information.

Cas d'utilisation

.Lecture et écriture de la mémoire vive par un processeur. Deux bus distincts sont utilisés, un bus de données de 128 bit et un bus d'adresse (d'environ 36 bit sur un PC de 2008).  Le bus d'adresse est utilisé pour sélectionner les cellules mémoires qui doivent être lues ou écrites, le bus de données servant à transmettre le contenu de la mémoire elle-même. Ce type de bus est extrêmement rapide: un PC de 2008 permet ici des transferts à 6,4 giga-octets (GO) par seconde.

.Interconnexion de disques durs SCSI. Une nappe à 68 conducteurs relie chaque disque à l'adaptateur et transporte tour à tour les signaux de commandes et de données sur 16 bits. Ce type de bus est très rapide quand la nappe est de haute qualité, il peut atteindre 320Mo/s.

.Connecteurs PCI des cartes d'extension d'un ordinateur personnel, ils permettent des transferts à environ 130Mo/s.

Bus série

Matériel

Un bus série permet de transmettre les informations bit par bit. Toutefois il comporte plus d'une ligne permettant de transmettre des informations par l'addition d'éventuels signaux de contrôle et généralement par l'utilisation de deux lignes distinctes permettant ainsi à ces bus d'être bidirectionnels afin de permettre la transmission d'information dans les deux directions simultanément.

Fonctionnement

Le bus série transmettant les données bit par bit, il est nécessaire lorsque l'on veut par exemple transmettre un mot de 32 bits de sérialiser l'information pour sa transmission. Le lecteur devra effectuer l'opération inverse pour reconstruire le mot de 32 bits à partir des bits reçus.

L'intérêt principal de ce type de bus (outre un câblage simplifié par rapport à un bus parallèle) est que pour un coût moindre (grâce au faible nombre de conducteurs de données) il permet-en faisant appel à des composants électroniques de haute qualité-de dépasser les débits atteints par des bus parallèles.

Cas d'utilisation

.Certains périphériques informatiques tels que les souris utilisent un port série,

.Une liaison USB peut être apparentée à un bus série,

.Les disques durs récents utilisent un bus série (FC, SAS ou SATA). Les débits peuvent ici atteindre plusieurs Go/s.

Liaison série Rs-232

Le mot (octet) à transmettre est envoyé bit par bit (poids faible en premier) par l'émetteur, vers le récepteur qui le reconstitue.

La vitesse de transmission de l'émetteur doit être identique à la vitesse d'acquisition du récepteur. Cette vitesse est exprimée en bauds (un baud correspond à un bit par seconde, dans notre cas). Il existe différentes vitesses normalisées: 9600, 4800, 2400, 1200....bauds.

La communication peut se faire dans les deux cas (duplex), soit émission d'abord, puis réception ensuite (half-duplex), soit émission et réception simultanées (full-duplex).

La transmission étant du type asynchrone (pas d'horloge commune entre l'émetteur et le récepteur), des bits supplémentaires sont indispensables au fonctionnement: bit de début de mot (start), bit(s) de fin de mot (stop).

D'autre part, l'utilisation éventuelle d'un bit de parité permet la détection d'erreurs dans la transmission.

Les liaisons du type EIA-422 et EIA-485 sont dérivées de la RS-232.

Bus série versus bus parallèle

Un bus série, transmettant les bits d'information un par un, doit être plus rapide qu'un bus parallèle les transmettant 32 par 32 pour obtenir le même débit. Les bus parallèles sont limités en cadence par les difficultés techniques et physiques. A des fréquences de fonctionnement élevées les bus parallèles produisent plus d'interférences électromagnétiques qu'un bus série ce qui perturbe la qualité des signaux électriques transmis.

La mémoire vive

Deux barrettes de 512Mio pièce

Caractéristiques

Se connecte via:

Support DIMM

.Support SIMM

Classement des utilisations:

.Ordinateur fixe

.Ordinateur portable

Fabricants courants:

.Corsair

.Kingston

.OCZ

.G. Skill

.Samsung

La mémoire vive, ou mémoire système aussi appelée RAM de l'anglais Random Access Memory (que l'on traduit en français par mémoire à accès direct), est la mémoire informatique dans laquelle un ordinateur place les données lors de leur traitement. Les caractéristiques de cette mémoire sont:

.sa rapidité d'accès, qui est essentielle pour fournir rapidement les données au processeur,

.sa volatilité, qui implique que toutes les données de cette mémoire sont perdues dès que l'ordinateur cesse d'être alimenté en électricité. Notons que des dernières évolutions conduisent à des types de mémoire RAM non-volatile, comme les MRAM.

Désignations

Il existe deux types de mémoires:

.La mémoire vive (RAM) est généralement définie en opposition à la mémoire morte (ROM): les données contenues dans la mémoire vive sont perdues lorsque l'alimentation électrique est coupée. En effet, la mémoire vive est dans un état indéterminé lors du démarrage.

.La mémoire morte qui conserve ses données en absence d'alimentation électrique.La mémoire morte n'est donc pas volatile, ce qui est nécessaire pour le démarrage d'un ordinateur.

Quelquefois, on utilise le sigle RWM (pour Read Write Memory, soit mémoire en lecture écriture) pour désigner la RAM en mettant l'accent sur la possibilité d'écriture plutôt que l'accès arbitraire.

Le sens littéral des termes RAM et mémoire vive peut prêter à confusion. En effet, le terme RAM implique la possibilité d'un accès aléatoire aux données, c'est-à-dire un accès direct à n'importe quelle donnée n'importe quand, par l'opposition à un accès séquentiel, comme l'accès à une bande magnétique, où les données sont nécessairement lues dans un ordre défini à l'avance.   

Technologie

Une carte mémoire RAM de 4Mio pour ordinateur VAX8600 (circa 1986)

Différents types de RAM, de haut en bas: DIP, SIP, SIMM 30 broches, SIMM 72 broches, DIMM, RIMM

La mémoire informatique est un composant qui fut d'abord magnétique (tores de ferrite), puis devient électronique dans les années 1970 ce qui permet de stocker et relire rapidement des informations binaires. Son rôle est notamment de stocker les données qui vont être traitées par l'unité centrale (ou le microprocesseur). La mémoire vive a un temps d'accès de quelques dizaines ou centaines de nanosecondes tandis que celui du disque dur est de quelques millisecondes (dix mille à cent mille fois plus).

La RAM présente la particularité de pouvoir être accédée à la fois en lecture et en écriture. Une activation électronique appropriée permet si besoin de verrouiller temporairement en écriture des blocs physiques donnés. L'adressage d'une mémoire (traduction de tensions électriques sur des fils en adresse mémoire) se fait par un mécanisme nommé le chip select. Il est très facile de munir un microprocesseur d'une mémoire non contiguë (par exemple de 0 à 4 095, puis un trou, puis de la mémoire entre 16 384 et 32 767), ce qui facilite beaucoup la détection d'erreurs d'adressage éventuelles.

Les informations peuvent être organisées en mots de 8, 16 ou 32 bits voire plus actuellement. Certaines machines anciennes avaient des mots de taille plus exotique, par exemple 60 bits pour le Control Data 6600, 36 bits pour l'IBM 7030 "Stretch" ou le DEC PDP-10 et 12 bits pour la plupart des premiers mini-ordinateurs de DEC, les appareils d'instrumentation travaillant au mieux sur 12 bits à l'époque.

Mais:

.Dans les mémoires à parité, un bit supplémentaire (dit de contrôle de parité) existe de façon invisible,

.Dans les mémoires à correction automatique d'erreur sur 1 bit et détection sur plus d'un bit (ECC), ces bits invisibles sont parfois au nombre de six ou plus,

.Chaque mot des mémoires des serveurs modernes dits non-stop ou 24X365 dispose en plus des bits de correction de bits de remplacement qui prennent la relève du ou des bits défaillants à mesure du vieillissement de la mémoire: une défaillance de 10^-11 chaque année se traduit par 10,0 bits défaillants par an sur une mémoire de 128Gio. Les fabricants recommandent souvent d'utiliser de l'ECC à partir d'1Gio de RAM (généralement pour les barrettes utilisées dans les serveurs, permettent de détecter les erreurs et de les corriger).

Il existe également des mémoires associatives.

Divers types de mémoire vive

.La mémoire vive statique SRAM (Static Random Access Memory), Static RAM, utilise le principe des bascules électroniques, elle est très rapide et ne nécessite pas de rafraîchissement, par contre, elle est chère, volumineuse. Elle consomme moins d'électricité que la mémoire dynamique. Elle est utilisée pour les caches mémoire, exemple les tampons mémoire L1, L2 et L3 des microprocesseurs.

.La MRAM (Magnetic RAM), technologie utilisant la charge magnétique de l'électron. Les performances possibles sont un débit de l'ordre du gigabit par seconde, temps d'accès comparable à de la mémoire DRAM et non volatilité des données. Etudiée par tous les grands acteurs de l'électronique, elle commence en juillet 2006 à être commercialisée.

.La DPRAM (Dual Ported RAM), technologie utilisant un port double qui permet des accès multiples quasi simultanés, en entrée et en sortie.

Mémoire vive dynamique

La mémoire dynamique (DRAM, Dynamin RAM) utilise la capacité parasite drain/substrat d'un transistor à effet de champ. Elle ne conserve les informations écrites que pendant quelques millisecondes: le contrôleur mémoire est obligé de relire régulièrement chaque cellule puis y réécrire l'information stockée afin de garantir la fiabilité, cette opération récurrente porte naturellement le nom de "rafraîchissement". Malgré ces contraintes de rafraîchissement, ce type de mémoire est très utilisée car elle est bien meilleur marché que la mémoire statique. En effet, la cellule mémoire élémentaire de la DRAM est très simple (un transistor accompagné de son nano-condensateur) et ne nécessite que peu de silicium.

Les puces mémoires sont regroupées sur des supports SIMM (contacts électriques identiques sur les 2 faces du connecteur de la carte de barrette) ou DIMM(contacts électriques, séparés sur les 2 faces du connecteur).

On distingue les types de mémoire vive dynamique suivants:

SDRAM

   

SDRAM (Synchronous Dynamic RAM). Elle est utilisée comme mémoire principale et vidéo. Elle tend à être remplacée par la DDR SDRAM. Pour les machines de la génération Pentium II, Pentium III. On distingue la SDRAM 66, 100 et 133 (fréquence d'accès en MHz). Elle comporte normalement 168 broches.

VRAM

VRAM (video RAM). Présente dans les cartes graphiques. Elle sert à construire l'image vidéo qui sera envoyée à l'écran d'ordinateur via le convertisseur RAMDAC.

RDRAM

 

RDRAM (Rambus Dynamic RAM). Développée par la société Rambus, elle souffre notamment d'un prix beaucoup plus élevé que les autres types de mémoires et de brevets trop restrictifs de la part de la société créatrice. Elle est utilisée pour les machines de génération Pentium III et Pentium 4.

DDR SDRAM

 


DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic RAM). Utilisée comme mémoire principale et comme mémoire vidéo, elle est synchrone avec l'horloge système mais elle double également la largeur de bande passante en transférant des données deux fois par cycles au lieu d'une seule pour la SDRAM simple. Elle est aussi plus chère. On distingue les DDR PC 1600, PC2100, PC2700, PC3200, etc....Le numéro représente la quantité théorique maximale de transfert d'information en Mégaoctets par seconde. Elle est utilisée pour les machines de génération Pentium III et Pentium 4. Elle comporte normalement 184 broches.

DDR2-SDRAM

 
DDR2-SDRAM (Double Data Rate two SDRAM). On distingue les DDR2-400, DDR2-533, DDR2-667, DDR2-800 et DDR2-1066. Le numéro (400,533,.....)représente la fréquence de fonctionnement. Certains constructeurs privilégient la technique d'appellation basée sur la quantité de données théoriquement transportables (PC2-400, PC2-5300,etc....), mais certains semblent retourner à la vitesse réelle de fonctionnement afin de distinguer plus clairement la DDR2 de la génération précédente. Pour les machines de génération Pentium 4 et plus. Elle comporte normalement 240 broches.

DDR3 SDRAM

 

DDR3 SDRAM (Double Data Rate three SDRAM). Il s'agit de la 3e génération de la technologie DDR.  Les spécifications de cette nouvelle version ne sont pas finalisées en septembre 2006 par JEDEC. Les premiers micro-ordinateurs pouvant utiliser la DDR3 sont arrivés sur le marché pour la fin de 2007. La DDR3 fournit un débit deux fois plus important que la DDR2, et permet d'atteindre un débit de 6400MB/s, et jusqu'à 10664MB/s pour de la DDR3-1333.

XDR-DRAM







 
 
XDR DRAM (XDimm Rambus RAM). Technologie basée sur la technologie Flexio développée par Rambus. Elle permet d'envisager des débits théoriques de 6,4Go/s à 12,8Go/s en rafale.