1. La carte mère

Publié le 21 août 2009 par djouakeu wonanke armel

La carte mère

A. Le rôle de la carte mère

La carte mère est une plaque électronique (PCB) dont la taille peut varier selon sa norme. La norme standard est l’ATX.

ATX	Ordinateur de bureau	305x244 mm²
µATX	Barebone et mini PC	244x244 mm²
BTX	Ordinateur de bureau	325x267 mm²
ITX	Mini PC	170x170 mm²

Elle possède une multitude de connecteurs différents : socket pour processeur, slot pour la RAM, prise ATA ou SATA pour disque dur et lecteurs CD/DVD, prise USB, audio, FireWire... Ces connecteurs sont plus ou moins nombreux et exploitent des technologies plus ou moins avancées selon le modèle et le segment de gamme de la carte mère.

La carte mère est le socle qui fait fonctionner les composants et les technologies de nos ordinateurs. Au montage d’un ordinateur on fixe la carte mère en premier puis on connecte sur elle tous les éléments électroniques : processeur, mémoire, carte graphique, carte d’extension PCI, mais aussi les disques durs, lecteur de CD/DVD, clavier, souris, enceinte...

La carte mère a un rôle central et primordial. Mais c’est plus particulièrement le chipset ou jeu de composant qui l’équipe qui fait fonctionner l’ensemble. Pour cela, le chipset établit et gère les dialogues entre les différents composants.

B. Le chipset

Beaucoup de chipsets ont été crées au cours du temps. L’arrivée d’un nouveau processeur entraîne irrémédiablement la création d’une nouvelle plateforme pour le faire fonctionner. Plateforme qui est elle-même divisée en plusieurs gammes, des chipsets plus ou moins élaborés, ayant plus ou moins de fonctions donc à des coûts variables pour équiper toutes les gammes de carte mère.

Pour complexifier l’univers des chipsets, chaque constructeur de carte mère peut utiliser un chipset sans utiliser toutes les fonctions qu’il propose, les liens de transmission câblés sur la carte mère varie d’un constructeur de chipset à l’autre, d’une architecture processeur à l’autre. On trouve deux grandes familles de chipset ; Nvidia et Intel pour deux grandes plateformes Intel et Amd.

Schéma et identification des éléments d’une carte mère

A. Carte Asus P5W DH Deluxe Digital Home

- 1 : Northbridge (Intel MCH 975X)
- 2 : Southbridge (Intel ICH7R)
- 3 : Contrôleur SATA RAID (Silicon Image SI4723) des 2 ports 14 orange
- 4 : Contrôleur USB (Genesis Logic GL850A) des 2x2 ports 18 bleu
- 5 : Contrôleur FireWire 1394a (Texas Instrument TSB43AB22A) des 2 ports 19 & 30
- 6 : Contrôleur cartes réseaux (Marvell 88E80583) Ethernet Gigabit 2 ports 32 et WiFi 802.11g mini carte 35
- 7 : Contrôleur ata, SATA raid et eSATA (JMicron JMB363) SATA port 14, ata port 13 et eSATA port 31
- 8 : Contrôleur audio (realtek ALC882M) 7.1 avec technologie dolby digital live ports 34, S/PDIF port 28 et optique port 29.
- 9 : Super I/O, Contrôleur série port 27 et pour lecteur de disquette port 12
- 10 : Socket processeur (lga775)
- 11 : Slots mémoire 4 emplacements DDR2 800/667/533 unbuffered ECC/non-ECC de 256 Mo, 512 Mo, 1 Go et 2 Go dual-channel par paire dans slot de même couleur
- 12 : Connecteur pour lecteur de disquette 34-1 pin
- 13 : Connecteurs ultra ATA 133/100/66 40-1 pin supportant 2 périphériques IDE chacun disque dur, lecteur cd/dvd.
- 14 : Connecteurs SATA2 pour disque dur SATA
- 15 : Connecteurs PCI Express 1x
- 16 : Connecteur PCI Express 16x pour carte graphique, en mode SLI ou Crossfire le port orange fonctionne en PCI Express 16 x, le noir en PCI Express 4x
- 17 : Connecteurs PCI
- 18 : Connecteurs USB pour bracket d’extension
- 19 : Connecteurs FireWire pour bracket d’extension
- 20 : Connecteur audio ADH (Azalia Digital Header)
- 21 : Connecteur pour bouton on/off & reset, led d’alimentation & d’activité disque dur et haut parleur d’alerte système en façade sur le boitier.
- 22 : Connecteur audio analogique AAFP HD Audio ou AC 97
- 23 : connecteurs audio d’entrée stéréo par connexion interne depuis le Cd-Rom et un bracket avec mini jack.
- 24 : Connecteurs pour ventilateurs prise PWM 1 à 4 pins pour CPU et 3 autres à 3 pins
- 25 : Connecteurs d’alimentation ATX 4 pins atx 12 v et 24 pins EATX
- 26 : Connecteur PS/2 pour clavier (bleu) et souris (vert)
- 27 : Connecteur série rs232
- 28 : Connecteur S/PDIF analogique
- 29 : Connecteur Optique numérique
- 30 : Connecteur FireWire
- 31 : Connecteur e-SATA
- 32 : Connecteurs Ethernet RJ45 10/100/1000
- 33 : Connecteur usb 2
- 34 : Connecteurs audio mini jack
- 35 : Connecteur antenne Wi-Fi
- 36 : Puce contenant le BIOS eeprom 8 Mb
- 37 : Pile maintient les réglages du bios ordinateur éteint
- 38 : Radiateur posé sur les mosfets servant à l’alimentation du processeur
- 39 : Caloducs transporte la chaleur du northbridge au radiateur coiffant les mosfets

Le chipset

· A. Composition d'un chipset

Le chipset (jeu de composant) est soit une puce le northbridge (ou pont nord) soit divisé en deux puces aux rôles complémentaires : Le nortbridge et le southbridge (pont nord et sud). Son rôle est de réguler les liaisons entre les différents éléments, d’établir les connexions, d’envoyer les ordres et de faire transiter les informations. Pour cela le chipset est câblé avec tous les éléments de la carte mère avec des lignes (ou bus). Ces lignes sont en fait multiples et se divisent en 3 grandes fonctions :
- les lignes de données qui transportent les informations,
- les lignes d’adresse qui transportent les adresses mémoire, dont le processeur à besoin,
- et les lignes de commandes qui transportent les commandes envoyées d’un composant à un autre. Il a un rôle d’aiguilleur pour faire transiter les informations d’un sous-ensemble à un autre.

· B. Northbridge et Southbridge

Le northbridge

Il gère généralement le processeur, la mémoire et le port de la carte graphique (AGP ou PCI-Express) et est interconnecté avec le southbridge. Remarquez que pour les chipsets actuels composés d’une puce unique, sans southbridge, il ne gère pas la mémoire, mais les disques durs (ata, SATA) et les ports d’extension (PCI, PCI express). On les retrouve sur les plateformes nvidia pour processeur AMD, tirant parti du fait que les processeurs AMD intègrent le contrôleur mémoire en leur sein ce qui décharge le northbridge de ce rôle.

Le southbridge

Il interconnecte le northbridge, les ports ata et SATA, le système audio, les ports externes et les ports d’extension (PCI, PCI express 1x et 4x) et quelquefois le deuxième port graphique x16. Il possède donc la capacité de faire fonctionner tous ces types de composants. Pour être plus précis, il est secondé par des chipsets complémentaires (PHY). Ces puces spécialisées (réseau, audio, USB...) gèrent les connecteurs et communiquent avec le Southbridge.

· C. DMI ou HyperTransport

DMI (Direct Media Interface de Intel) ou HyperTransport (de Nvidia) sont les noms du bus qui relie le northbridge au southbridge.

Chaque constructeur de carte mère implémente sa propre liaison, il est d’ailleurs assez difficile d’avoir des renseignements précis sur sa nature et son fonctionnement, variant en plus beaucoup d’un constructeur à l’autre.

La liaison autorise un débit très élevé de 1 Go/s à 8 Go/s, mais cette vitesse n’influe pas forcément sur les performances, l’architecture étant bien différente.

· D. Les chipsets complémentaires

Des chipsets complémentaires sont soudés sur la carte pour apporter des fonctions que les chipsets ne gèrent pas ou plus.

Par exemple, les nouveaux chipsets Intel ne gèrent plus les ports ATA pour disque dur et lecteur cd/dvd, un contrôleur supplémentaire interfacé avec le southbridge est là pour apporter cette fonction.

Des fonctions avancées sont elles-mêmes gérées par des composants à part, par exemple le son HD multicanal, le dolby digital live, le wifi...

Les bus

· A. Les différents type de bus

Les bus sont les lignes qui relient les différents composants. Ils sont nombreux et fonctionnent avec des débits différents. En réalité, il y a 3 types de lignes différents :

les lignes de données chargées de transporter les données,
des lignes d’adresse qui fait transiter les adresses des emplacements mémoires dont le processeur à besoin
et des lignes de commandes où transitent les commandes.

bus	largeur	fréquence	débit
PCI	32 bits	33 MHz	133 Mo/s
AGP 8x	32 bits	66 MHz	2,13 Go/s
PCI-X	64 bits	133MHz	4,26 Go/s
PCI Express 1x	1 bit	100 MHz	500 Mo/s
PCI Express 4x	4 bits	100 MHz	2 Go/s
PCI Express 8x	8 bits	100 MHz	4 Go/s
PCI Express 16x	16 bits	100 MHz	8 Go/s
Processeur (fsb 266MHz)	64 bits	266 MHZ	8,53 Go/s
Mémoire (ddr2-667)	64 bits	166 MHz	5,328 Go/s

· B. Des bus et des ponts

Le processeur a évidemment un rôle central et doit pouvoir communiquer avec tous les périphériques. Cependant, le processeur n’est pas connecté directement avec tous les périphériques, cette solution rendrait les cartes mères trop complexe et nécessiterait un changement de processeur à chaque nouvelle technologie de composant.

Les périphériques se connectent sur un bus relié au processeur. Chaque périphérique dialogue avec le processeur avec un protocole de communication commun. Ce standard de communication permet donc de limiter les connecteurs et les technologies donc les coûts et permet facilement de supporter les nouveaux composants. D’où l’universalité et l’évolution des éléments intégrés dans nos ordinateurs : compatible PC.

Ceci est une simplification du fonctionnement réel, car ce sont en fait les contrôleurs de composant (disque dur, mémoire...) qui se connectent à ce bus commun affranchissant les périphériques en eux-mêmes de ce contrôle. Du côté du processeur un contrôleur de bus (gestionnaire des protocoles de communications) externe au processeur est chargé de dialoguer sur ces bus. C’est ce qu’on appelle les ponts (bridge).

Il est rare qu’un protocole remplace complètement l’autre lors de l’évolution des technologies. C’est pourquoi les nouveaux standards comme le PCI Express sont ajoutés dans la liste des protocoles soutenus ce qui permet de garder les anciens ports PCI et même ISA (bus LPC).

Il n’y a pas qu’un seul bus qui pourrait poser des problèmes de bouchons et de transmissions, de plus certains périphériques ont besoin de bien plus de bande passante que d’autre (par exemple : carte réseau / mémoire). Il y a donc plusieurs types de bus fonctionnant à des fréquences et des transmissions en parallèle ou en série, donc débits différents.

Les transmissions séries, c’est-à-dire avec un seul fil sur lequel transite toutes les données sont l’avenir, ils permettent des montées en fréquence, à opposer aux anciennes transmissions parallèles sur plusieurs fils, qui posaient des problèmes de synchronisations et de gestions lors des montées en fréquences.

· C. Le bus processeur et le bus de commande

Le socket processeur est unique pour chaque génération de processeur. Il limite donc l’évolutivité de la configuration. Les sockets actuels sont pour Intel le LGA775 et pour AMD l’AM2.

Ce socket permet d’accueillir les multiples broches du processeur qui sont autant de lignes qui constituent le bus processeur. Chaque génération de processeur a un nombre de broches différent et des fonctionnalités particulières pour chacune d’elle, d’où l’incompatibilité d’une génération à l’autre.

Le bus processeur ou FSB (Front Side Bus) relie le processeur au northbridge et indirectement à tous les autres éléments de la carte mère. Il est un des plus influent sur les performances générales du système.

Ce bus est constitué de trois bus aux rôles différents le bus de données, le bus d’adresse et le bus de commande.

Le bus de commande

Le bus de commande ou bus de contrôle transporte les ordres et les signaux de synchronisation entre le processeur et les autres composants.

Le bus de commande permet d’envoyer les requêtes associées avec l’envoi des données et des adresses dans les deux autres bus. Par exemple, les requêtes de lecture ou d’écriture lors de transfert entre processeur et mémoire.

· D. Le bus de d'adresse et le bus de données

Le bus de d’adresse

Le processeur est un super calculateur ultra rapide, mais encore faut-il qu’il ait des données à calculer ! C’est le rôle de la mémoire de contenir les données, mais aussi d’autres périphériques. Dès que le processeur a besoin d’une donnée, il envoie son adresse par le bus d’adresse en direction du composant visé. Bien souvent une adresse en mémoire vive, mais aussi un autre composant ou périphérique grâce aux ports d’Entrée/Sortie qui sont des identifiants uniques qui les caractérisent. La mémoire ou le périphérique reçoit le signal d’adressage et renvoie la donnée visée par le bus de données. De même lorsque le processeur veut envoyer des données à un composant, il envoie les données par le bus de données et l’adresse où il souhaite qu’elle soit sauvegardée par le bus d’adresse.

La largeur du bus d’adresse entre processeur et mémoire influent sur les quantités de mémoire adressable donc la quantité de mémoire que l’on peut utiliser sur une plateforme. Au début de l’informatique le bus de 20 bits permettait d’adresser 1 Mo de mémoire vive maintenant avec des bus à 36 bits (des Pentium 4 par exemple) permettent d’adresser 64 Go de mémoire vive !

Le bus de données

C’est souvent lui qui définit l’ensemble du bus processeur pour le grand public, son débit étant mis en avant. Il est vrai que pratiquement toutes les informations doivent y passer, d’où son importance.

Sa fréquence de fonctionnement dépend du processeur utilisé et n’a de cesse d’augmenter dès qu’une nouvelle génération de processeur apparaît, complètement lié aux caractéristiques de celui-ci.

Les nouveaux processeurs utilisent un bus à 266 MHz pour une largeur de 64 bits, fournissant un débit de plus de 8 Go/s. Calculé assez simplement par la formule :

Débit = (fréquence du bus ) x (largeur du bus en d’octet) x 4,

x 4 car le bus utilise la technologie QDR (cf ci-après)

d’où 266 * 8 * 4 = = 8512 Mo/s = 8 Go/s.

· E. Le bus mémoire

Le contrôleur mémoire est présent dans le northbridge (Intel) ou inclut dans le processeur pour les modèles AMD. C’est ce contrôleur qui permet de gérer de la DDR ou de la DDR2 avec des fréquences et des latences plus ou moins élevées.

Un contrôleur de qualité est nécessaire pour faire fonctionner convenablement de la mémoire haut de gamme.

Le bus mémoire fonctionne à 64 bits comme le bus processeur. La fréquence du bus est modulable selon celles supportées par les barrettes qui l’équipent. Par exemple la DDR2 667 (dénommé PC5300 ou PC 5400) fonctionne à 667 MHz (333 MHz en réalité) pour un débit de 5318 Mo/s d’où son nom.

· F. Le bus d’extension (PCI, PCI Express 1x / 4x)

Géré par le southbridge, le PCI offre un débit de 133 Mo/s. Il est en fin de vie, son débit n’étant plus suffisant et même limitant beaucoup les performances, car la bande passante est divisée entre les périphériques connectés.

Le PCI Express 1x et 4x (500 Mo/s et 2000 Mo/s) le remplace avantageusement. La bande passante est beaucoup plus importante et garantie pour chaque port.

Les interfaces rapides (contrôleur SATA par exemple) peuvent maintenant être utilisées efficacement sans goulet d’étranglement du bus PCI.

La principale différence du PCI Express par rapport au PCI est l’utilisation de ligne de transmission série là où le PCI utilise des transmissions en parallèle.

En série, les bits sont envoyés sur une seule et même ligne. Cette solution facilite la synchronisation des envois et permet d’augmenter plus facilement le débit par rapport à l’utilisation de multiple ligne parallèle.

Une ligne PCI Express est une paire de liens fonctionnant chacun à 2,5 Gbit/s chacun, soit 250 Mo/s et pas 320 Mo/s car pour un octet (8 bits) le bus transmet en réalité 10 bits.

Cette transmission série est d’ailleurs utilisée par les ports SATA, USB ou FireWire en remplacement des anciennes technologies parallèles des ports Ata ou port Parallèle de nos anciennes imprimantes.

· G. Le bus graphique (AGP, PCI Express 16x)

L’ancien AGP est déjà remplacé depuis plusieurs années par le PCI Express 16x, mais il n’est pas mort pour autant. L’AGP fonctionne à 66 MHz pour un débit de 2 Go/s. Débit très important afin de faire transiter les données graphiques.

Le PCI Express 16x fonctionnel lui à 100 MHz pour un débit de 8 Go/s. Ces ports sont donc connectés par 16 lignes PCI Express.

Les systèmes SLI NVIDIA ou CrossFire d’ATI permettent de faire fonctionner deux cartes graphiques ensemble, les cartes mères sont alors équipées de deux ports PCI Express.

Cependant, les deux ports ne fonctionnent pas obligatoirement en 16x, le nombre de ligne activable est limité. Ils peuvent fonctionner en 16x/4x ou 8x/8x, à vérifier selon les constructeurs.

Bus	Fréquence	Bande Passante
PCI	33 MHz	0,133 Go/s
AGP	v66 MHz	2 Go/s
PCI-Express 1x	100 MHz	0,5 Go/s
PCI-Express 4x	100 MHZ	2 Go/s
PCI-Express 8x	100 MHz	4 Go/s
PCI-Express 16x	100 MHz	8 Go/s

· H. DDR (Dual data Rate) et QDR (Quadruple Data Rate).

Le moyen le plus évident pour augmenter la vitesse d’un bus est d’augmenter sa fréquence. Cependant, de fortes contraintes technologiques interdisent une montée sans limites, la plus pénalisante est le dégagement calorifique. Plus un composant fonctionne à des fréquences élevées plus il dégage de chaleur. Ennemi de tout composant électronique, la chaleur au mieux limitera sa durée de vie et au pire le détruira purement et simplement.

Pour augmenter la bande passante, les ingénieurs ont donc multiplié les moments où les données sont transférées. Sur un bus, les données sont transmises à chaque tape d’une horloge qui fournit un signal sinusoïdal (passant d’une valeur maximum à une valeur minimum alternativement) afin que la transmission soit synchrone.

Habituellement sur un bus, les données sont envoyées sur le front montant quand le signal d’horloge passe de sa valeur minimale à sa valeur maximale.

La première solution a été d’envoyer les données sur le front montant et sur le front descendant (quand le signal passe de sa valeur maximale à minimale) d’où une synchronisation conservée et une bande passante doublée. C’est le Double Data Rate (Double transfert de données) ou bus DDR.

Mais les ingénieurs ne se sont pas arrêtés là. Pour encore augmenter la bande passante, une autre technique est utilisée, le QDR ou Quadruple Data Rate. Le signal de base de l’horloge est dédoublé. Les deux signaux d’horloge fournissent alors deux fronts montants et descendants soit 4 tapes de synchronisation. Ce qui permet de fournir un taux de transfert quadruplé à fréquence égale. C’est le bus Quad Pumped d’Intel.

Présentation de 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.