Fonctionnement d'un ordinateur/Les bus et liaisons point à point (généralités)

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Schéma d'un bus.

Dans un ordinateur, les composants sont placés sur un circuit imprimé (la carte mère), un circuit sur lequel on vient connecter les différents composants d'un ordinateur, et qui relie ceux-ci via divers bus. Si je dis "par divers bus", c'est parce qu'il n'y a pas qu'un seul bus dans un ordinateur, mais plusieurs : un bus pour communiquer avec le disque dur, un bus pour la carte graphique, un pour le processeur, un pour la mémoire, etc. De ce fait, un PC contient un nombre impressionnant de bus, jugez plutôt :

  • le SMBUS, qui est utilisé pour communiquer avec les ventilateurs, les sondes de température et les sondes de tension présentes un peu partout dans notre ordinateur ;
  • les bus USB ;
  • le bus PCI, utilisé pour les cartes son et qui servait autrefois à communiquer avec les cartes graphiques ;
  • le bus AGP, autrefois utilisé pour les cartes graphiques ;
  • le bus PCI Express, utilisé pour communiquer avec des cartes graphiques ou des cartes son ;
  • le bus P-ATA, relié au disque dur ;
  • le bus S-ATA et ses variantes eSATA, eSATAp, ATAoE, utilisés pour communiquer avec le disque dur ;
  • le bus Low Pin Count, qui permet d'accéder au clavier, aux souris, au lecteur de disquette, et aux ports parallèle et série ;
  • le bus ISA et son cousin le bus EISA, autrefois utilisés pour des cartes d'extension ;
  • l'Intel QuickPath Interconnect et l'HyperTransport, qui relient les processeurs récents au reste de l'ordinateur ;
  • le FireWire (1394) ;
  • le bus SCSI et ses variantes (SCSI Parallel, Serial Attached SCSI, iSCSI), qui permettent de communiquer avec des disque durs ;
  • le bus MIDI, une véritable antiquité oubliée de tous, qui servait pour les cartes son ;
  • le fameux RS-232 utilisé dans les ports série ;
  • enfin, le bus IEEE-1284 utilisé pour le port parallèle.

La longue liste précédente sous-entend qu'il existe de nombreuses différences entre les bus. Et c'est le cas : ces différents bus sont très différents les uns des autres. Ils différent par diverses caractéristiques, les plus importantes étant listées dans le tableau ci-dessous.

Propriétés d'un bus
Nom de la propriété Définition
Largeur Nombre maximal de bits transmis simultanément sur le bus.
Caractère synchrone ou asynchrone Certains bus sont cadencés par un signal d'horloge, d'autres non.
Protocole Le protocole d'un bus définit comment les données sont envoyées sur le bus.

Ces caractéristiques ne sont pas les seules. Par exemple, on pourrait citer le débit binaire, à savoir le nombre de bits que le bus peut transmettre par seconde. On pourrait aussi citer le temps de latence, à savoir le temps que met une donnée à être transférée sur le bus. Mais ces mesures de performances ne sont pas si différentes de celles utilisées pour quantifier la vitesse des entrées-sorties. Aussi, nous n'en parlerons pas ici. D'autant qu'elles peuvent se déduire de la largeur du bus et de sa fréquence.

Les bus dédiés et multiplexés[modifier | modifier le wikicode]

Commençons par parler de la distinction entre les bus (et plus précisément les bus dits multiplexés) et les liaisons point à point (aussi appelées bus dédiés).

Petite précision de vocabulaire : Le composant qui envoie une donnée sur un bus est appelé un émetteur, alors que ceux reçoivent les données sont appelés récepteurs.

Les liaisons point à point (bus dédiés)[modifier | modifier le wikicode]

Les bus dédiés se contentent de connecter deux composants entre eux. Un autre terme, beaucoup utilisé dans le domaine des réseaux informatiques, est celui de liaisons point-à-point. Pour en donner un exemple, le câble réseau qui relie votre ordinateur à votre box internet est une liaison point à point. Mais le terme est plus large que cela et regroupe tout ce qui connecte deux équipements informatiques/électroniques entre eux, et qui permet l'échange de données. Par exemple, le câble qui relie vitre ordinateur à votre imprimante est lui aussi une liaison point à point, au même titre que les liaisons USB sur votre ordinateur. De même, certaines liaisons point à point relient des composants à l'intérieur d'un ordinateur, comme le processeur et certains capteurs de températures.

Les liaisons point à point sont classés en trois types, suivant les récepteurs et les émetteurs.

Type de bus Description
Simplex Les informations ne vont que dans un sens : un composant est l'émetteur et l'autre reste à tout jamais récepteur.
Half-duplex Il est possible d'être émetteur ou récepteur, suivant la situation. Par contre, impossible d'être en même temps émetteur et récepteur.
Full-duplex Il est possible d'être à la fois récepteur et émetteur.
Liaison simplex Liaison half-duplex Liaison full-duplex
Simplex.jpg HalfDuplex.JPG FullDuplex.JPG

Les bus full duplex sont créés en regroupant deux bus simplex ensemble : un pour l'émission et un pour la réception. Mais certains bus full-duplex, assez rares au demeurant, n'utilisent pas cette technique et se contentent d'un seul bus bidirectionnel.

Les bus multiplexés[modifier | modifier le wikicode]

Les liaisons point à point, ou bus dédiés, sont à opposer aux bus proprement dit, aussi appelés bus multiplexés. Ces derniers ne sont pas limités à deux composants et peuvent interconnecter un grand nombres de circuits électroniques. Par exemple, un bus peut interconnecter la mémoire RAM, le processeur et quelques entrées-sorties entre eux. Et cela fait qu'il existe quelques différences entre un bus et une liaison point à point. Avec un bus, l'émetteur envoie ses données à tous les autres composants reliés aux bus, à tous les récepteurs. Sur tous ces récepteurs, il se peut que seul l'un d'entre eux soit le destinataire de la donnée : les autres vont alors l'ignorer, seul le destinataire la traite. Cependant, il se peut qu'il y aie plusieurs récepteurs comme destinataires : dans ce cas, les destinataires vont tous recevoir la donnée et la traiter. Les bus permettent donc de faire des envois de données à plusieurs composants en une seule fois.

Bus multiplexés.

La fréquence du bus et son caractère synchrone/asynchrone[modifier | modifier le wikicode]

On peut faire la différence entre bus synchrone et asynchrone, la différence se faisant selon l'usage ou non d'une horloge. La méthode de synchronisation des composants et des communications sur le bus peut ainsi utiliser une horloge, ou la remplacer par des mécanismes autres.

Les bus synchrones[modifier | modifier le wikicode]

Certains bus sont synchronisés sur un signal d'horloge : ce sont les bus synchrones. Avec ces bus, le temps de transmission d'une donnée est fixé une fois pour toute. Le composant sait combien de cycles d'horloge durent une lecture ou une écriture. Sur certains bus, le contenu du bus n'est pas mis à jour à chaque front montant, ou à chaque front descendant, mais aux deux : fronts montant et descendant. De tels bus sont appelés des bus double data rate. Cela permet de transférer deux données sur le bus (une à chaque front) en un seul cycle d'horloge : le débit binaire est doublé sans toucher à la fréquence du bus.

Exemple de lecture sur un bus synchrone.

Les bus asynchrones[modifier | modifier le wikicode]

À haute fréquence, le signal d'horloge met un certain temps pour se propager à travers le fil d'horloge, ce qui induit un léger décalage entre les composants. Plus on augmente la longueur des fils, plus ces décalages deviendront ennuyeux. Plus on augmente la fréquence, plus la période diminue comparée au temps de propagation de l'horloge dans le fil. Ces phénomènes font qu'il est difficile d'atteindre des fréquences de plusieurs gigahertz sur les bus actuels. Pour ces raisons, certains bus se passent complètement de signal d'horloge, et ont un protocole conçu pour : ce sont les bus asynchrones. Ces bus sont donc très adaptés pour transmettre des informations sur de longues distances (plusieurs centimètres ou plus).

Exemple d'écriture sur un bus asynchrone

La largeur du bus[modifier | modifier le wikicode]

Comparaison entre bus série et parallèle.

La plupart des bus peuvent échanger plusieurs bits en même temps et sont appelés bus parallèles. Mais il existe des bus qui ne peuvent échanger qu'un bit à la fois : ce sont des bus série.

Les bus série[modifier | modifier le wikicode]

On pourrait croire qu'un bus série ne contient qu'un seul fil pour transmettre les données, mais il existe des contrexemples. Généralement, c'est le signe que le bus n'utilise pas un codage NRZ, mais une autre forme de codage un peu plus complexe. Par exemple, le bus USB utilise deux fils D+ et D- pour transmettre un bit. Pour faire simple, lorsque le fil D+ est à sa tension maximale, l'autre est à zéro (et réciproquement).

La transmission et la réception sur un bus série demande de faire une conversion entre les données, qui sont codées sur plusieurs bits, et le flux série à envoyer sur le bus. Cela s'effectue généralement en utilisant des registres à décalage, commandés par des circuits de contrôle.

Interface de conversion série-parallèle (UART).

Les bus parallèles[modifier | modifier le wikicode]

Passons maintenant aux bus parallèles. Pour information, si le contenu d'un bus de largeur de bits est mis à jour fois par secondes, alors son débit binaire est de . Mais contrairement à ce qu'on pourrait croire, les bus parallèles ne sont pas plus rapides que les bus série. Sur les bus synchrones, la fréquence est bien meilleure pour les bus série que pour les bus parallèles. La fréquence plus élevée l'emporte sur la largeur plus faible, ce qui surcompense le fait qu’un bus série ne peut envoyer qu'un bit à la fois. Le même problème se pose pour les bus asynchrones : le temps entre deux transmissions est plus grand sur les bus parallèles, alors qu'un bus série n'a pas ce genre de problèmes.

Il existe plusieurs raisons à cela, qui proviennent de phénomènes électriques assez subtils. Premièrement, les fils d'un bus ne sont pas identiques électriquement : leur longueur et leur résistance changent très légèrement d'un fil à l'autre. En conséquence, un bit va se propager à des vitesses différentes suivant le fil. On est obligé de se caler sur le fil le plus lent pour éviter des problèmes à la réception. En second lieu, il y a le phénomène de crosstalk. Lorsque la tension à l'intérieur du fil varie (quand le fil passe de 0 à 1 ou inversement), le fil va émettre des ondes électromagnétiques qui perturbent les fils d'à côté. Il faut attendre que la perturbation électromagnétique se soit atténuée pour lire les bits, ce qui limite le nombre de changements d'état du bus par seconde.