L'informatique (suite)

La carte mère

Une carte mère avec à gauche, en blanc, le support du microprocesseur, en bleu, deux connecteurs mémoire, à droite, les connecteurs pour les cartes d'interface

La carte mère est un matériel informatique (composé de circuits imprimés et de ports de connexion) servant à interconnecter tous les composants d'un micro-ordinateur.

Description

Elle est l'élément essentiel d'un micro-ordinateur. La carte mère (en anglais "mainboard" ou "motherboard") est la carte permettant la connexion de l'ensemble des éléments essentiels (comme la mémoire) et optionnels (comme les périphériques externes) du micro-ordinateur.

Structure

Au cours de son évolution, la carte mère a intégré certaines fonctions qui, avant, étaient des accessoires (internes ou externes). Dans un premier temps, la mémoire cache du processeur fut intégrée à celle-ci, puis vinrent les cartes contrôleuses de disques durs, la carte son, la carte USB, la carte réseau et même parfois la carte graphique font maintenant partie intégrante du chipset, mais des puces peuvent venir s'ajouter pour offrir de nouvelles fonctionnalités grâce aux connecteurs, dont des cartes d'interface de "périphériques" telles que l'USB3.0, E-SATA2.0, etc.... pour les chipsets qui ne les gèrent pas nativement.

On peut donc dire que toutes les cartes mères du marché sont différentes par les options qu'elles proposent. Pour interconnecter toutes ces fonctions la carte mère utilise des circuits spéciaux appelés Chipsets, composés du:

.northbridge, pour les périphériques "rapides" (mémoire, PCI-express, etc....)

.southbridge pour les périphériques "lents" (PCI, disques durs et SSD,...)qui ont pour rôle de faire dialoguer le processeur les disques durs et tous les périphériques internes et externes.

Au démarrage, la carte mère doit reconnaître tous les éléments qui lui sont connectés (mémoire, périphériques,...) et les configurer. Pour cela, elle dispose du BIOS (Basic Input/Output System), un firmware qui lui permet de tester le matériel et les périphériques présents et de leur appliquer les paramètres de configuration nécessaires. Le BIOS cherche enfin le disque contenant le système d'exploitation et le charge en mémoire, on dit que le PC démarre (boot en anglais). Si pour une raison quelconque un périphérique, la RAM, ou une carte d'extension est défectueuse ou ne s'initialise pas, la carte mère émet un certain nombre de bips, pour indiquer le dysfonctionnement, en fonction du modèle du BIOS (certaines cartes mères ASUS parlent....).

Les éléments

Voici les éléments qu'on peut trouver sur une carte mère, certains n'étant plus présents sur les cartes mères.

Des connecteurs

.Un ou plusieurs connecteurs d'alimentation électrique: Par ces connecteurs une alimentation électrique fournit à la carte mère les diverses tensions électriques nécessaires à son fonctionnement et à celui des périphériques connectés.

.Le connecteur du microprocesseur

.Les connecteurs d'alimentation et de contrôle des ventilateurs

.Les connecteurs de la mémoire vive (memory slot en anglais) au nombre de 2,4 ou 6 sur les cartes mères communes,

Des composants

.Le chipset: Un ou plusieurs circuits électroniques, qui gèrent les transferts de données entre les différents composants de l'ordinateur (micro-processeur, mémoire vive, disque dur, etc...),

.Une horloge qui cadence la vitesse d'exécution des instructions du microprocesseur et des périphériques internes,

.La mémoire, interne, conservant certaines informations importantes (comme la configuration de l'ordinateur, la date et l'heure) même lorsque l'ordinateur n'est pas alimenté en électricité ainsi que sa pile ou batterie d'accumulateurs nécessaire au maintien des informations lors de l'extinction du micro-ordinateur (heure, date, configuration.....)

Un logiciel

.Le BIOS est un firmware enregistré dans une ROM ou une EPROM. Ce programme, spécifique à la carte, gère l'interface de bas niveau entre le micro-processeur et certains périphériques. Il récupère, puis fait exécuter, les instructions du master boot record enregistrées dans une mémoire de masse (disque dur), lors du démarrage du micro-ordinateur,

Des bus

.Le bus système (aussi appelé bus interne ou Front Side Bus (FSB) en anglais): il relie le micro-processeur au chipset,

.Le bus mémoire relie le chipset à la mémoire vive,

.Le bus d'extension (aussi appelé bus d'entrées/sorties): il relie le micro-processeur aux connecteurs d'entrée/sortie et aux connecteurs d'extension.

Des connexions

Les connecteurs d'entrée/sortie qui respectent le plus souvent la norme PC99: ces connecteurs incluent:

.Les ports USB (Universal Serial Bus) par exemple pour la connexion de périphériques récents (Les ports séries pour la connexion de vieux périphériques, et les ports parallèles pour la connexion de vieilles imprimantes, ayant quasiment disparu en 2010),

.Les connecteurs RJ45 pour la connexion à un réseau informatique,

.Les connecteurs vidéo analogiques VGA et numériques DVI, pour la connexion d'un écran d'ordinateur,

.Les connecteurs audio analogiques (jack 3.5mm) et audio numérique (SPDIF), pour la connexion d'appareils audio comme des haut-parleurs ou un microphone, identifiés par un code couleur,

.Les connecteurs audio/vidéo HDMI ou DisplayPort pour la connexion avec un téléviseur HD, supportant la protection des contenus numériques haute définition (HDCP),

.Les connecteurs Parallel ATA ou Serial ATA I (1,5GB/s) ou II (3Gb/s), voire III (6Gb/s) pour la connexion de périphériques de stockage comme les disques durs, Solid-state drive et disques optiques, et e-Sata (en connectique externe) pour la connexion de périphériques de stockage externe à haut débit,

.Les connecteurs firewire IEEE1394,

.Les connecteurs d'extension: ce sont des réceptacles pouvant accueillir des cartes d'extension (ces cartes sont utilisées pour ajouter des fonctionnalités ou augmenter la performance d'un micro-ordinateur, par exemple une carte graphique peut être ajoutée à un ordinateur pour améliorer les performances de l'affichage 3D sur l'écran). Ces ports peuvent être des ports ISA (vieille interface), PCI (Peripheral Component Interconnect), AGP ou, plus récent, le PCI Express, qui existe sous forme de PCI-e xl, x4, x8 et x16, ce port étant souvent occupé par une carte graphique.

Avec l'évolution des ordinateurs, de plus en plus de fonctionnalités ont été intégrées à la carte mère, comme des circuits électroniques permettant la gestion de la vidéo (IGP pour Integrated Graphic Processor), du son ou des réseaux (10/100Mb/s/1Gb/s), évitant ainsi l'adjonction de cartes d'extension.

Cartes multiprocesseurs

Une carte mère équipée de deux processeurs

C'est un type de carte mère capable d'accueillir plusieurs processeurs (généralement 2,4,8 ou plus). Ces cartes mères multiprocesseurs disposant de plusieurs supports de micro-processeur (sockets), ce qui permet de leur enficher plusieurs micro-processeurs physiquement distincts (par opposition aux processeurs double coeur). Lorsque deux processeurs sont présents sur une carte, il y a deux manières de les gérer:

.La manière asymétrique, où chaque processeur se voit attribuer une tâche différente. Cette méthode n'accélère pas les traitements, mais permet de confier une tâche à un processeur pendant que l'autre est occupé à une tâche différente.

.La manière symétrique, dite SMP (Symmetric MultiProcessing) où chaque tâche est répartie symétriquement entre les deux processeurs.

Le système d'exploitation Linux fut le premier à gérer les architectures bi-processeurs sur X86. Toutefois, la gestion de plusieurs processeurs existait bien avant sur d'autres plates-formes et d'autres systèmes d'exploitation.

Le système Linux 2.6x gère parfaitement les multiprocesseurs symétriques, ainsi que les architectures à mémoire non-uniformément répartie (NUMA).

Certains fabricants de cartes mères fabriquent des cartes mères pouvant accueillir jusqu'à 8 processeurs (en l'occurrence sur socket 939 pour AMD Opteron et sur socket 604 pour Intel Xeon).

Evolutivité

Jusqu'au milieu des années 1990, les PC étaient équipés d'une carte mère sur laquelle le microprocesseur (CPU) était inséré dans un support dont il était très difficile de l'enlever. Puis vinrent les cartes mères équipées d'un support du micro-processeur (socket) "libre" ou ZIF (Zero Insertion Force), permettant d'accueillir le microprocesseur de son choix (selon ses besoins et son budget). Grâce à ce système (qui s'est vite généralisé et n'a plus été remis en question), il devient donc en théorie possible d'équiper son ordinateur d'un CPU plus puissant sans changer de carte mère, donc à moindre coût. Hélas cela n'est vrai que pour:

.un certain nombre de processeurs compatibles

.un certain nombre de cartes mères compatibles

Néanmoins le système ZIF présente l'avantage de pouvoir insérer et remplacer le processeur beaucoup plus facilement qu'avec les systèmes utilisés précédemment.

Testeur de carte mère

Testeur pour bus ISA. Deux afficheurs 7 segments montrent le code POST. Quatre LEDs affichent la présence de +/-5V et +/-12V.

En informatique, un testeur de carte mère (POST card en anglais) est une carte d'extension enfichable qui affiche l'avancement de l'auto-diagnostic au démarrage (power-on self-test ou POST) d'un ordinateur de type PC, ainsi que les codes d'erreurs éventuels. Il est utilisé pour dépanner les ordinateurs qui n'arrivent pas à démarrer.

Principe de fonctionnement

Pour que le testeur fonctionne, il faut au minimum que les composants suivants fonctionnent:

.le processeur,

.le BIOS

.l'interface dans laquelle ce testeur est enfiché.

Lors de l'amorçage, le BIOS envoie des codes formés de chiffres hexadécimaux à un port d'entrée-sortie spécialisé, en général le port d'adresse 80(en hexadécimal). Certains de ces codes indiquent une étape de la procédure d'amorçage, d'autres identifiant des erreurs. La signification de chaque code dépend du BIOS et doit donc être consultée dans une table. Par exemple, pour le IBM PC/AT de 1984, le code 1D est envoyé quand le système est "sur le point de déterminer la taille de la mémoire au-dessus de 1024KO", et le code 2D est envoyé lorsque se produit une "panne du contrôleur clavier 8042, erreur système 105".

Si le démarrage échoue, on dispose du code de la dernière étape ou de la dernière erreur. Les testeurs de carte mère fournissent des informations même lorsqu'un écran usuel n'est pas disponible, soit parce qu'il n'est pas pratique de connecter un moniteur, soit parce que le problème survient avant que le sous-système vidéo ne soit opérationnel.

Utilisation

Les testeurs de carte mère s'insèrent dans un slot d'expansion. Il en existe au standard (dépassé) ISA (ainsi qu'en EISA), au standard PCI, sur port parallèle et d'autres variantes. Mini PCIe, sur ordinateurs portables, est pris en charge par certaines cartes, mais avec des restrictions. De nombreuses cartes pour ordinateurs de bureau ont à la fois une interface ISA (complètement désuète) d'un côté et PCI de l'autre, et de nombreuses cartes pour ordinateurs portables ont à la fois un connecteur miniPCI et une prise parallèle (plus de l'USB pour l'alimenter en électricité).

On doit disposer des informations sur la signification des codes POST pour les différents BIOS pour pouvoir interpréter les codes. Ces informations sont fournies avec les cartes, mais deviennent rapidement dépassées lorsque de nouveaux BIOS sont publiés. On dispose néanmoins d'informations sur les sites web des fabricants des testeurs et sur des sites web indépendants.

De nombreuses cartes ne font pas qu'afficher les codes numériques, mais informent également sur les voltages, les signaux d'horloge, le signal de réinitialisation(reset) et d'autres informations.

Scénarios d'utilisation

Les testeurs de carte mère pour PC étaient très cher au début, mais les premiers prix commencent à quelques euros au XXIe siècle.

Certaines cartes-mères possèdent un affichage intégré pour diagnostiquer les problèmes matériels. La plupart rapportent les problèmes d'auto-diagnostic avec une série de bips sonores, si un haut-parleur est présent sur la carte-mère. De telles cartes-mères diminuent l'intérêt des testeurs.

Quand les testeurs ont fait leur apparition, les cartes-mères étaient chères et il était intéressant de les diagnostiquer et de les réparer. Vers la fin du XXe siècle, l'intégration des composants, la production de masse et le passage d'un grand nombre de fabricants de cartes-mères de qualité souvent douteuse à un petit nombre de sociétés fiables ont fait que les cartes-mères sont devenues des composants bon marché et tombant peu en panne. On a donc cessé la plupart du temps de réparer les cartes-mères, pour les remplacer par de nouvelles cartes, en en profitant pour passer à des modèles plus récents. Dans ce contexte, les testeurs de carte mère servent surtout à déterminer si ce sont les composants soudés sur la carte mère plutôt que des composants externes comme les cartes vidéo, la RAM, etc....qui sont en panne.