Fonctionnement d'un ordinateur/Quelques exemples de bus et de liaisons point à point

Un livre de Wikilivres.
Aller à la navigation Aller à la recherche

Dans ce qui va suivre, nous allons étudier quelques bus relativement connus, autrefois très utilisés dans les ordinateurs. La plupart de ces bus sont très simples : il n'est pas question d'étudier les bus les plus en vogue à l'heure actuelle, du fait de leur complexité. Nous allons surtout étudier les bus série, les bus parallèles étant plus rares.

Un exemple de liaison point-à-point série : le port série RS-232[modifier | modifier le wikicode]

Le port RS-232 est une liaison point à point de type série, utilisée justement sur les ports série qu'on trouvait à l'arrière de nos PC. Celui-ci était autrefois utilisé pour les imprimantes, scanners et autres périphériques du même genre, et est encore utilisé comme interface avec certaines cartes électroniques. Il existe des cartes d'extension permettant d'avoir un port série sur un PC qui n'en a pas, se branchant sur un autre type de port (USB en général).

Le câblage de la liaison série RS-232[modifier | modifier le wikicode]

Le RS-232 est une liaison point à point de type full duplex, ce qui veut dire qu'elle est bidirectionnelle. Les données sont transmises dans les deux sens entre deux composants. Si la liaison est bidirectionnelle, les deux composants ont cependant des rôles asymétriques, ce qui est assez original. Un des deux composants est appelé le Data Terminal Equipment (DTE), alors que l'autre est appelé le Data Circuit-terminating Equipment (DCE). Les connecteurs pour ces deux composants sont légèrement différents. Mais mettons cela de côté pour le moment. En raison, de son caractère bidirectionnel, on devine que la liaison RS-232 est composée de deux fils de transmission de données, qui vont dans des sens opposés. A ces deux fils, il faut ajouter la masse, qui est commune entre les deux composants.

Liaison point à point RS-232.

Certains périphériques RS-232 n'avaient pas besoin d'une liaison bidirectionnelle et ne câblaient pas le second fil de données, et se contentaient d'un fil et de la masse. A l'inverse, d'autres composants ajoutaient d'autres fils, définis par le standard RS-232, pour implémenter un protocole de communication complexe. C'était notamment le cas sur les vieux modems connectés sur le ports série. Généralement, 9 fils étaient utilisés, ce qui donnait un connecteur à 9 broches de type DE-9.

Connecteur DE-9 et broches RS-232.

La trame RS-232[modifier | modifier le wikicode]

Le bus RS-232 est un bus série asynchrone. Une transmission sur ce bus se résume à l'échange d'un octet de donnée. La trame complète se décompose en un bit de start, l'octet de données à transmettre, un bit de parité, et un bit de stop. Le bit de start est systématiquement un bit qui vaut 0, tandis que le bit de stop vaut systématiquement 1.

Trame RS-232.

L'envoi et la réception des trames sur ce bus se fait simplement en utilisant un composant nommé UART composé de registres à décalages qui envoient ou réceptionnent les données bit par bit sur le bus. Les données envoyées sont placées dans un registre à décalage, dont le bit de sortie est connecté directement sur le bus série. La réception se fait de la même manière : le bus est connecté à l'entrée d'un registre à décalage. Quelques circuits annexes s'occupent du calcul de la parité et de la détection des bits de start et de stop.

Un exemple de bus série : le bus I²c[modifier | modifier le wikicode]

Nous allons maintenant voir le fameux bus I²c. Il s'agit d'un bus série, qui utilise deux fils pour le transport des données et de l'horloge, nommés respectivement SDA (Serial Data Line) et SCL (Serial Clock Line). Chaque composant compatible I²c a donc deux broches, une pour le fil SDA et une autre pour le fil SCL.

La spécification électrique[modifier | modifier le wikicode]

Les composants I²c ont des entrées et sorties qui sont dites à drain ouvert. Pour rappel, cela veut dire qu'une broche peut mettre le fil à 0 ou le laisser à son état de repos, mais ne peut pas décider de mettre le fil à 1. Pour compenser, les fils sont connectés à la tension d'alimentation à travers une résistance, ce qui garantit que l'état de repos soit à 1. Au repos, quand les composants n’envoient pas de trame sur le bus, les sorties des composants sont à 1, et les résistances de rappel mettent les fils du bus à 1. Mais quand un seul composant veut mettre sa sortie à 0, le transistor associé à la sortie se ferme, le courant passe dans la broche, et Le fil est mis à 0. Pour le dire autrement, on peut voir le contenu du bus comme un ET des bits envoyés sur les sorties des composants connectés au bus. Ce détail aura son importance par la suite. Le contenu du fil peut être lu sans altérer l'état électrique du bus/fil.

Bus I2C.

En faisant cela, le nombre de composants que l'on peut placer sur le bus est surtout limité par les spécifications électriques du bus, notamment sa capacité. Mais cela a l'avantage que le bus est compatible avec des technologies de fabrication totalement différentes, qu'il s'agisse de composants TTL, CMOS ou autres. En effet, la tension d'alimentation des composants TTL n'est pas la même que celle des composants CMOS. Utiliser des entrées-sorties à drain ouvert fait que la spécification du bus I²c ne spécifie pas la tension d'alimentation du bus, mais la laisse au choix du concepteur. En clair, on peut connecter plusieurs composants TTL sur un même bus, ou plusieurs composants CMOS sur le même bus, mais on ne peut pas connecter composants TTL et CMOS avec des tensions d'alimentation différentes sur un même bus. La compatibilité est donc présente, même si elle n'est pas parfaite.

L'adressage sur le bus I²c[modifier | modifier le wikicode]

Chaque composant connecté à un bus I²c a une adresse unique, qui sert à l’identifier. Les mémoires I²c ne font pas exception. Les adresses I²c sont codées sur 7 bits, ce qui donne un nombre de 128 adresses distinctes. Certaines adresses sont cependant réservées et ne peuvent pas être attribuées à un composant. C'est le cas des adresses allant de 0000 0000 à 0000 0111 et des adresses allant de 1111 1100 à 1111 1111, ce qui fait 8 + 4 = 12 adresses réservées. Les adresses impaires sont des adresses de lecture, alors que les adresses paires sont des adresses d'écriture. En tout, cela fait donc 128 - 12 = 116 adresses possibles, dont 2 par composant, ce qui fait 58 composants maximum.

Le codage des trames sur un bus I²c[modifier | modifier le wikicode]

Le codage d'une trame I²c est assez simple. La trame de données est organisée comme suit : un bit de START, suivi de l'octet à transmettre, suivi par un bit d'ACK/NACK, et enfin d'un bit de STOP. Le bit d'ACK/NACK indique si le récepteur a bien reçu la donnée sans erreurs. Là où les bits START, STOP et de données sont émis par l'émetteur, le bit ACK/NACK est émis par le récepteur.

Vous êtes peut-être étonné par la notion de bit START et STOP et vous demandez comment ils sont codés. La réponse est assez simple quand on se rappelle que les fils SDA et SCL sont mis à 1 à l'état de repos. L'horloge n'est active que lors du transfert effectif des données, et reste à 1 sinon. Si SDA et SCL sont à 1, cela signifie qu'aucun composant ne veut utiliser le bus. Le début d'une transmission demande donc qu'au moins un des fils passe à 0. Un transfert de données commence avec un bit START, qui est codé par une mise à 0 de l'horloge avant le fil de donnée, et se termine avec un bit STOP, qui correspond aux conditions inverses.

Bit START. Bit RESTART Bit STOP.

Les données sont maintenues tant que l’horloge est à 1. Dit autrement, le signal de donnée ne montre aucun front entre deux fronts de l'horloge. Retenez bien cette remarque, car elle n'est valide que pour la transmission d'un bit de données (et les bits d'ACK/NACK). Les bits START et STOP correspondent à une violation de cette règle qui veut qu'il y ait absence de front sur le signal de données entre deux fronts d'horloge.

Encodage des données. Bit ACK/NACK.

Pour résumer, une transmission I²c est schématisée ci-dessous. Sur ce schéma, S représente le marqueur de début de transmission (start), puis chaque période en bleue est celle ou la ligne de donnée peut changer d'état pour le prochain bit de données à transmettre durant la période verte qui suit notée B1, B2... jusqu'à la période finale notée P marquant la fin de transmission (stop).

Transfert de données via le protocole I²c.

Une trame transmet soit une donnée, soit une adresse. Généralement, la trame transmet un octet, qu'il s'agisse d'un octet de données ou un octet d'adresse. Pour une adresse, l'octet transmis contient une adresse de 7 bits et un bit R/W. Une lecture/écriture est composée de au moins deux transmissions : d'abord on transmet l'adresse, puis la donnée est transmise ensuite. Si je viens de dire "au moins deux transmissions", c'est parce qu'il est possible de lire/écrire des données de 16 ou 32 bits, en plusieurs fois. Dans ce cas, on envoie l'adresse avec la première transmission, puis on envoie/réceptionne plusieurs octets les uns à la suite des autres, avec une transmission par octet. Il est aussi possible d'envoyer une adresse en plusieurs fois,c e qui est très utilisé pour les mémoires I²c : la première adresse envoyée permet de sélectionner la mémoire, l'adresse suivante identifie le byte voulu dans la mémoire.

Transmission de I²c en lecture/écriture.

La synchronisation sur le bus I²c[modifier | modifier le wikicode]

Il arrive que des composants lents soient connectés à un bus I²c, comme des mémoires EEPROM. Ils mettent typiquement un grand nombre de cycles avant de faire ce qu'on leur demande, ce qui donne un temps d'attente particulièrement long. Dans ce cas, les transferts de ou vers ces composants doivent être synchronisés d'une manière ou d'une autre. Pour cela, le bus I²c permet de mettre en pause une transmission tant que le composant lent n'a pas répondu, en allongeant la durée du bit d'ACK.

Un périphérique normal répondrait à une transmission comme on l'a vu plus haut, avec un bit ACK. Pour cela, le récepteur met la ligne SDA à 0 pendant que l'horloge SCL est à 1. L'idée est qu'un récepteur lent peut temporairement maintenir la ligne SCL à 0 pendant toute la durée d'attente. Dans ce cas, l'émetteur attend un nouveau front sur l'horloge avant de faire quoi que ce soit. L'horloge est inhibée, le bus I²c est mis en pause. Quand le récepteur lent a terminé, il relâche la ligne d'horloge SDL, et envoie un ACK normal. Cette méthode est utilisée par beaucoup de mémoires EEPROM I²c. Évidemment, cela réduit les performances et la perte est d'autant plus grande que les temps d'attente sont longs.

L’arbitrage sur le bus I²c[modifier | modifier le wikicode]

Le bit START est impliqué dans l'arbitrage du bus : dès que le signal SDA est mis à 0 par un émetteur, les autres composants savent qu'une transmission a commencé et qu'il faut attendre.

Il est malgré tout possible que deux composants émettent chacun une donnée en même temps, car ils émettent un bit START à peu près en même temps. Dans ce cas, l'arbitrage du bus utilise intelligemment le fait que les entrées-sorties sont à drain ouvert. Nous avions dit que le bus est à 1 au repos, mais qu'il est mis à 0 dès qu'au moins un composant veut envoyer un 0. Pour le dire autrement, on peut voir le contenu du bus comme un ET des bits envoyés sur les sorties des composants connectés au bus. Ce détail est utilisé pour l'arbitrage.

Si deux émetteurs envoient chacun une donnée, le bus accepte cette double transmission. Tant que les bits transmis sont identiques, cela ne pose pas de problème : le bus est à 1 si les deux composants veulent envoyer un 1 en même temps, idem pour un 0. Par contre, si un composant veut envoyer un 1 et l'autre un 0, le bus est mis à 0 du fait des sorties à drain ouvert. Le truc est que les émetteurs vérifient si les bits transmis sur le bus correspondent aux bits envoyés. Si l'émetteur émet un 1 et voit un 0 sur le bus, il comprend qu'il y a une collision et cesse sa transmission pour laisser la place à l'autre émetteur. Il retentera une nouvelle transmission plus tard.

Un exemple de bus parallèle : le bus PCI[modifier | modifier le wikicode]

Ports PCI version 32 bits sur une carte mère grand public.

Le bus PCI est un bus autrefois très utilisé dans les ordinateurs personnels, qui a eu son heure de gloire entre les années 90 et 2010. Il était utilisé pour la plupart des cartes d'extension, à savoir les cartes son, les cartes graphiques et d'autres cartes du genre. Il remplace le bus ISA, un ancien bus devenu obsolète dans les ordinateurs personnels.

Les lecteurs aguerris qui veulent une description détaillée du bus PCI peuvent lire le livre nommé "PCI Bus Demystified".

Les performances théoriques du bus PCI[modifier | modifier le wikicode]

Le bus ISA avait une largeur de seulement 16 bits et une fréquence de 8 MHz, ce qui était suffisant lors de son adoption, mais était devenu trop limitant dès les années 90. Le bus PCI avait de meilleures performances : un bus de 32 bits et une fréquence de 33 MHz dans sa première version, ce qui faisait un débit maximum de 133 mébioctets par secondes. Des extensions faisaient passer le bus de données de 32 à 64 bits, augmentaient la fréquence à 66/133 MHz, ou alors ajoutaient des fonctionnalités. Les versions 64 bits du bus PCI avaient généralement une fréquence plus élevée, de 66 MHz pour le PCI version 2.3, de 133 MHz pour le PCI-X.

La tension d'alimentation : deux normes[modifier | modifier le wikicode]

Il existait aussi une version 3,3 volts et une version 5 volts du bus PCI, la tension faisant référence à la tension utilisée pour alimenter le bus. L'intérêt était de mieux s'adapter aux circuits imprimés de l'époque : certains fonctionnaient en logique TTL à 5 volts, d'autres avec une logique différente en 3,3 volts. La logique ici mentionnée est la manière dont sont construits les transistors et portes logiques. Concrètement, le fait qu'il s'agisse de deux logiques différentes change tout au niveau électrique. La norme du bus PCI en 3,3 volts est fondamentalement différente de celle en 5 volts, pour tout ce qui touche aux spécifications électriques (et elles sont nombreuses). Une carte conçue pour le 3,3 volts ne pourra pas marcher sur un bus PCI 5 volts, et inversement. Il existe cependant des cartes universelles capables de fonctionner avec l'une ou l'autre des tensions d'alimentation, mais elles sont rares. Pour éviter tout problème, les versions 3,3 et 5 volts du bus PCI utilisaient des connecteurs légèrement différents, de même que les versions 32 et 64 bits.

Connecteurs et cartes PCI.

L'arbitrage du bus PCI[modifier | modifier le wikicode]

Le bus PCI utilise un arbitrage centralisé, avec un arbitre qui commande plusieurs composants maîtres. Chaque composant maitre peut envoyer des données sur le bus, ce qui en fait des émetteurs-récepteurs, contrairement aux composants esclaves qui sont toujours récepteurs. Chaque maître a deux broches spécialisées dans l'arbitrage : un fil REQ (Request) pour demander l'accès au bus à l'arbitre, et un fil GNT (Grant) pour recevoir l'autorisation d'accès de la part de l'arbitre de bus. Les deux signaux sont actifs à l'état bas, à zéro. Un seul signal GNT peut être actif à la fois, ce qui fait qu'un seul composant a accès au bus à un instant donné.

L'arbitrage PCI gère deux niveaux de priorité pour l'arbitrage. Les composants du premier niveau sont prioritaires sur les autres pour l'arbitrage. En cas d'accès simultané, le composant de niveau 1 aura accès au bus alors que ceux de niveau 2 devront attendre. En général, les cartes graphiques sont de niveau 1, alors que les cartes réseau, son et SCSI sont dans le niveau 2.

Un composant ne peut pas monopoliser le bus en permanence, mais doit laisser la place aux autres après un certain temps. Une fois que l'émetteur a reçu l'accès au bus et démarré une transmission avec le récepteur, il a droit à un certain temps avant de devoir laisser la place à un autre composant. Le temps en question est déterminé par un timer, un compteur qui est décrémenté à chaque cycle d'horloge. Au démarrage de la transaction, ce compteur est initialisé avec le nombre de cycle maximal, au-delà duquel l'émetteur doit laisser le bus. Si le compteur atteint 0, que d'autres composants veulent accéder au bus, et que l'émetteur ait terminé sa transmission, la transmission est arrêtée de force. Le composant peut certes redemander l'accès au bus, mais elle ne lui sera pas accordée car d'autres composants veulent accéder au bus.

Il est possible que, quand aucune transaction n'a lieu, le bus soit attribué à un composant maître choisit par défaut. On appelle cela le bus parking. Cela garantit qu'il y a toujours un composant qui a son signal REQ actif, il ne peut pas avoir de situation où aucun composant PCI n'a accès au bus. Quand un autre composant veut avoir accès au bus, l'autre composant est choisit, sauf si une transmission est en cours. L'avantage est que le composant maître choisit par défaut n'a pas besoin de demander l'accès au bus au cas où il veut faire une transmission, ce qui économise quelques cycles d'horloge. L'arbitre du bus doit cependant être configuré pour. Le réglage par défaut du bus PCI est que le maître choisi par défaut est le dernier composant à avoir émis une donnée sur le bus.

L'adressage et le bus PCI[modifier | modifier le wikicode]

Le bus PCI est multiplexé, ce qui signifie que les mêmes fils sont utilisés pour transmettre successivement adresse ou données. Les adresses ont la même taille que le bus de données : 32 bits ou 64 bits, suivant la version du bus. On trouve aussi un bit de parité, transmis en même temps que les données et adresses. Notons que les composants 32 bits pouvaient utiliser des adresses 64 bits sur un bus PCI : il leur suffit d'envoyer ou de recevoir les adresses en deux fois : les 32 bits de poids faible d'abord, les 32 bits de poids fort ensuite. Fait important, le PCI ne confond pas les adresses des périphériques et de la mémoire RAM. Il existe trois espaces d'adressage distincts : un pour la mémoire RAM, un pour les périphériques, et un pour la configuration qui est utilisé au démarrage de l'ordinateur pour détecter et configurer les périphériques branchés sur le bus.

Le bus de commande possède 4 fils/broches sur lesquelles on peut transmettre une commande à un périphérique. Il existe une commande de lecture et une commande d'écriture pour chaque espace d'adressage. On a donc une commande de lecture pour les adresses en RAM, une commande de lecture pour les adresses de périphériques, une autre pour les adresses de configuration, idem pour les commandes d'écritures. Il existe aussi des commandes pour les adresses en RAM assez spéciales, qui permettent de faire du préchargement, de charger des données à l'avance. Ces commandes permettent de faire une lecture, mais préviennent le contrôleur PCI que les données suivantes seront accédées par la suite et qu'il vaut mieux les précharger à l'avance.

Les commandes en question sont transmises en même temps que les adresses. Lors de la transmission d'une donnée, les 4 broches sont utilisées pour indiquer quels octets du bus sont valides et quels sont ceux qui doivent être ignorés.

Bits de commande Nom de la commande Signification
0000 Interrupt Acknowledge Commande liée aux interruptions
0001 Special Cycle Envoie une commande/donnée à tous les périphériques PCI
0010 I/O Read Lecture dans l'espace d’adressage des périphériques
0011 I/O Write Écriture dans l'espace d’adressage des périphériques
0100 Reserved
0101 Reserved
0110 Memory Read Lecture dans l'espace d’adressage de la RAM
0111 Memory Write Écriture dans l'espace d’adressage de la RAM
1000 Reserved
1010 Reserved
1011 Configuration Read Lecture dans l'espace d’adressage de configuration
1011 Configuration Write Écriture dans l'espace d’adressage de configuration
1100 Memory Read Multiple Lecture dans l'espace d’adressage de la RAM, avec préchargement
1101 Dual-Address Cycle Lecture de 64 bits, sur un bus PCI de 32 bits
1110 Memory Read Line Lecture dans l'espace d’adressage de la RAM, avec préchargement
1111 Memory Write and Invalidate Écriture dans l'espace d’adressage de la RAM, avec préchargement

Plusieurs fils optionnels ajoutent des interruptions matérielles (IRQ), une fonctionnalité que nous verrons d'ici quelques chapitres. Pour le moment, sachez juste qu'il y a quatre fils dédiés aux interruptions, qui portent les noms INTA, INTB, INTC et INTD. En théorie, un composant peut utiliser les quatre fils d'interruptions s'il le veut, mais la pratique est différente. Tous les composants PCI, sauf en quelques rares exceptions, utilisent une seule sortie d'interruption pour leurs interruptions. Sachant qu'il y a généralement quatre ports PCI dans un ordinateur, le câblage des interruptions est simplifié, avec un fil par composant. Lorsqu'une interruption est levée par un périphérique, le composant qui répond aux interruption, typiquement le processeur, répond alors par une commande Interrupt Acknowledge.

Le protocole de transmission sur le bus PCI[modifier | modifier le wikicode]

En tout, 6 fils commandent les transactions sur le bus. On a notamment un fil FRAME qui est maintenu à 0 pendant le transfert d'une trame. Le fil STOP fait l'inverse : il permet à un périphérique de stopper une transaction dont il est le récepteur. Les deux signaux IRDY et TRDY permettent à l'émetteur et le récepteur de se mettre d'accord pour démarrer une transmission. Le signal IRDY (Initiator Ready) est mis à 1 par le maître quand il veut démarrer une transmission, le signal TRDY (Target Ready) est la réponse que le récepteur envoie pour indiquer qu'il est près à démarrer la transmission. Le signal DEVSEL est mis à zéro quand le récepteur d'une transaction a détecté son adresse sur le bus, ce qui lui permt d'indiquer qu'il a bien compris qu'il était le récepteur d'une transaction.

Pour la commande Special Cycle, qui envoie une donnée à tous les périphériques PCI en même temps, les signaux IRDY, TRDY et DEVSEL ne sont pas utilisés. Ces signaux n'ont pas de sens dans une situation où il y a plusieurs récepteurs. Seul le signal FRAME est utilisé, ainsi que le bus de données.

Une transaction en lecture procède comme suit :

  • En premier lieu, l'émetteur acquiert l'accès au bus et son signal GNT est mis à 0.
  • Ensuite, il fait passer le fil FRAME à 0, qui pour indiquer le début d'une transaction, et envoie l'adresse et la commande adéquate.
  • Au cycle suivant, le récepteur met le signal IRDY à 0, pour indiquer qu'il est près pour recevoir la donnée lue.
  • Dans un délai de 3 cycles d'horloge maximum, le récepteur doit avoir reçu l'adresse et le précise en mettant le signal DEVSEL à 0.
  • Le récepteur place la donnée lue sur le bus, et met le signal TRDY à 0.
  • Le signal TRDY remonte à 1 une fois la donnée lue. En cas de lecture en rafale, à savoir plusieurs lectures consécutives à des adresses consécutives, on reprend à l'étape précédente pour transmettre une nouvelle donnée.
  • Puis tous les signaux du bus repassent à 1 et le bus revient à son état initial, le signal GNT est réattribué à un autre composant.

Le Plug And Play[modifier | modifier le wikicode]

Outre sa performance, le bus PCI était plus simple d'utilisation. La configuration des périphériques ISA était laborieuse. Il fallait configurer des jumpers ou des interrupteurs sur chaque périphérique impliqué, afin de configurer le DMA, les interruptions et d'autres paramètres cruciaux pour le fonctionnement du bus. La moindre erreur était source de problèmes assez importants. Autant ce genre de chose était acceptable pour des professionnels ou des power users, autant le grand public n'avait ni les compétences ni l'envie de faire cela. Le bus PCI était lui beaucoup plus facile d'accès, car il intégrait la fonctionnalité Plug And Play, qui fait que chaque périphérique est configuré automatiquement lors de l'allumage de l'ordinateur.