🚌 Bus, interfaces et protocoles d'entrée et sortie

Nous savons maintenant qu'il existent plusieurs types de périphériques d'entrée et de sortie. Mais comment sont-ils connectés à l'ordinateur ? Comment communiquent-ils entre eux ? C'est ce que nous allons voir dans cette section.

D'abord, quelques définitions. Ces définitions deviendront plus intuitives au fur et à mesure que nous avancerons dans le cours.

Définitions

🧱 Bus

❓ Quelles lignes relient physiquement les composants entre eux pour transmettre données, adresses et commandes ?

Un bus est un ensemble de lignes physiques (pistes sur la carte mère) permettant aux composants internes d’un ordinateur (CPU, RAM, périphériques) de transmettre des informations. Il peut transporter des données, des adresses ou des signaux de contrôle. PCI, PCIe, I2C et SPI sont des exemples de bus.

🔌 Connecteur

❓ Comment est-ce que je branche physiquement un appareil à un autre ?

Un connecteur est un élément matériel (fiche + port) qui permet la connexion physique entre deux appareils ou composants. Il supporte une interface, mais ne la définit pas à lui seul. USB-C, HDMI, RJ45, M.2, SATA, PCIe x16 sont des exemples de connecteurs.

📡 Interfaces et protocoles

❓ Comment les deux appareils sont interconnectés, électriquement et logiquement ? Quelles règles utilisent les appareils pour se comprendre ?

Une interface est une spécification (souvent normalisée) qui décrit comment deux composants échangent des données. Elle comprend souvent la spécification physique (connecteurs, câblage) et la spécification logique (protocoles de communication, signaux).

Un protocole est un ensemble de règles logiques permettant à deux composants de s’échanger des informations de manière structurée.

Des exemples d'interfaces et de protocoles sont : USB (2.0, 3.2, 4), HDMI (1.4, 2.0, 2.1), SATA (I, II, III), Ethernet, DisplayPort, NVMe, etc.

attention

Pour certains, le terme interface et protocole sont interchangeables. Pour d'autres, le protocole se concentre uniquement sur la partie logique, et non physique, de la communication.

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Topologie des bus : Shared vs Point-to-Point

Bus partagé (Shared bus)

Un bus partagé est une ligne de communication unique utilisée par plusieurs composants pour transmettre des données, des adresses et des signaux de contrôle. Les composants doivent attendre leur tour pour parler, comme dans une conversation à plusieurs sur une seule ligne téléphonique.

Avantages :

• Moins de câblage (un seul bus à partager).
• Simplicité de fabrication.

Inconvénients :

• Risque de collisions (deux composants parlent en même temps).
• Besoin d’un système d’arbitrage (priorité, délais).
• Performances limitées (partage de bande passante).
• Plus il y a de composants, plus c’est lent.

Exemples

• PCI (bus d’extension partagé dans les années 1990–2000)
• IDE/PATA (deux disques sur une seule nappe)
• ISA (bus de communication pour les cartes d’extension)

Bus point-à-point

Avec le temps, les architectures ont évolué vers des connexions dédiées entre chaque composant et le CPU ou le chipset. On parle alors de bus point-à-point, car chaque périphérique dispose de son propre canal de communication.

Avantages

• Aucune collision possible
• Performances indépendantes pour chaque périphérique
• Moins de latence, plus de fiabilité
• Architecture plus facile à étendre

Inconvénients

• Plus de câblage/pistes sur la carte mère
• Complexité de conception

Exemples

• PCIe (chaque carte a ses propres lignes)
• SATA (un câble par disque)
• USB. USB permet de connecter plusieurs périphériques sur un même câble (hub), mais chaque périphérique a son propre canal de communication, car le CPU (chipset) interroge chaque périphérique individuellement. Donc même si physiquement plusieurs périphériques partagent le câble (via un hub), à un instant donné, un seul dialogue est actif.

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Le rôle de la carte mère

La carte mère est le support physique principal qui relie tous les composants d’un ordinateur : CPU, RAM, chipset, SSD, ports USB, etc. Elle contient des pistes conductrices qui forment les bus physiques de communication.

Elle agit comme un réseau autoroutier :

• Des voies rapides pour la RAM, les GPU (PCIe x16)
• Des voies secondaires pour l’USB, SATA, audio
• Des ponts de communication entre les composants via le chipset

La carte mère fournit également :

• L’alimentation électrique aux composants
• Les connecteurs (ports) pour brancher les périphériques
• Les circuits de contrôle pour initialiser et gérer les communications

De façon très simplifiée, vous pouvez voir la carte mère comme un grand réseau de bus physiques et de connecteurs, permettant aux différents composants de communiquer entre eux.

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Communication CPU – Chipset – Périphériques

Le CPU (processeur)

Les CPU sont des unités de traitement central qui exécutent des instructions et gèrent les calculs. En gros, c'est le cerveau de l'ordinateur. En gros, un processeur:

• Gère les calculs, les instructions, les accès mémoire
• Peut communiquer directement avec certains périphériques (très rapides) :
  • RAM (via contrôleur mémoire intégré)
  • GPU (via PCIe x16)
  • SSD NVMe (PCIe x4)

Ces connexions sont point-à-point et très rapides

Le Chipset (ou PCH)

Le chipset, aussi appelé Platform Controller Hub (PCH) dans les architectures récentes d'Intel, est un composant situé sur la carte mère qui agit comme un hub de communication entre le CPU et les autres périphériques moins rapides. Il permet notamment de :

• Gérer les communications entre :

  • Les ports USB

  • Le stockage SATA (disques durs, SSD 2.5")

  • Le réseau Ethernet ou Wi-Fi intégré

  • Le BIOS / UEFI

  • Les ports d’extension (PCIe supplémentaires, audio, etc.)

• Offrir des lignes PCIe additionnelles pour des cartes d'extension (souvent moins rapides que celles reliées directement au CPU)

Même si le chipset est physiquement séparé du CPU, il est connecté point-à-point au CPU via un bus DMI (Direct Media Interface), qui est rapide mais partagé entre tous les périphériques qui passent par le chipset.