Fonctionnement d'un ordinateur/La carte mère, chipset et BIOS

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 les relie via divers bus. Si on regarde une carte mère de face, on voit un grand nombre de connecteurs, mais aussi des circuits électroniques soudés à la carte mère.

Les connecteurs sont là où on branche les périphériques, la carte graphique, le processeur, la mémoire, etc. Dans l'ensemble, toute carte mère contient les connecteurs suivants :

Le processeur vient s’enchâsser dans la carte mère sur un connecteur particulier : le socket. Celui-ci varie suivant la carte mère et le processeur, ce qui est source d'incompatibilités.
Les barrettes de mémoire RAM s’enchâssent dans un autre type de connecteurs: les slots mémoire.
Les mémoires de masse disposent de leurs propres connecteurs : connecteurs P-ATA pour les anciens disques durs, et S-ATA pour les récents.
Les périphériques (clavier, souris, USB, Firewire, ...) sont connectés sur un ensemble de connecteurs dédiés, localisés à l'arrière du boitier de l'unité centrale.
Les autres périphériques sont placés dans l'unité centrale et sont connectés via des connecteurs spécialisés. Ces périphériques sont des cartes imprimées, d'où leur nom de cartes filles. On peut notamment citer les cartes réseau, les cartes son, ou les cartes vidéo.

Une observation plus poussée de la carte mère vous permettra de remarquer quelques puces électroniques soudées à la carte mère. Elles ont des fonctions très diverses mais sont indispensables à son bon fonctionnement. Un bon exemple est celui du circuit d'alimentation, qui est en charge de la gestion de la tension d'alimentation. Il contient des composants aux noms à coucher dehors pour qui n'est pas électronicien : régulateurs de tension, convertisseurs alternatif vers continu, condensateurs de découplage, et autres joyeusetés. Il y a aussi le BIOS, des générateurs de fréquence, des circuits support pour le processeur et les mémoires, et d'autres, que nous détaillerons dans la suite du chapitre.

Enfin, et surtout, une carte mère est là où se trouvent les bus qui interconnectent tout ce beau monde. Si vous observez la carte mère de près, vous verrez des lignes métalliques, de couleur cuivre, qui ne sont autre que les bus en question. Une ligne métallique est un fil qui transmet un courant électrique, qui sert à faire passer un bit d'un composant/connecteur à un autre.

L'organisation de ce chapitre est la suivante : nous allons d'abord voir les circuits soudés sur la carte mère, avant de parler de la manière dont les bus sont organisés sur la carte mère. À la fin de ce chapitre, nous allons voir que la façon dont les composants sont connectés entre eux par des bus a beaucoup changé au fil du temps et que l'organisation de la carte mère a évoluée au fil du temps. Les cartes mères se sont d'abord complexifiées, pour faire face à l'intégration de plus en plus de périphériques et de connecteurs. Mais par la suite, les processeurs ayant de plus en plus de transistors, ils ont incorporé des composants autrefois présents sur la carte mère, comme le contrôleur mémoire.

Le Firmware : BIOS et UEFI

La plupart des ordinateurs contiennent une mémoire ROM qui lui permet de fonctionner. Les plus simples stockent le programme à exécuter dans cette ROM, et n'utilisent pas de mémoire de masse. On pourrait citer le cas des appareils photographiques numériques, qui stockent le programme à exécuter dans la ROM. D'autres utilisent cette ROM pour amorcer le système d'exploitation : la ROM contient le programme qui initialise les circuits de l'ordinateur, puis exécute un mini programme qui démarre le système d'exploitation (OS). Cette ROM, et par extension le programme qu'elle contient, est appelée le firmware.

Le firmware est placé sur la carte mère, du moins sur les ordinateurs qui ont une carte mère. Sur les PC modernes, ce firmware s'occupe du démarrage de l'ordinateur et notamment du lancement de l'OS. Il existe quelques standards de firmware, utilisés sur les ordinateurs PC, utilisés pour garantir la compatibilité entre ordinateurs, leur permettre d'accepter divers OS, et ainsi de suite. Il existe deux standards : le BIOS, format ancien pour le firmware qui a eu son heure de gloire, et l'EFI ou UEFI, utilisés sur les ordinateurs récents.

Le BIOS, l'EFI et l'UEFI

Sur les PC avec un processeur x86, il existe un programme, lancé automatiquement lors du démarrage, qui se charge du démarrage avant de rendre la main au système d'exploitation. Ce programme s'appelle le BIOS système, communément appelé BIOS (Basic Input-Output System). Ce programme est mémorisé dans de la mémoire EEPROM, ce qui permet de mettre à jour le programme de démarrage : on appelle cela flasher le BIOS. De nos jours, il tend à être remplacé par l'EFI et l'UEFI, qui utilise un standard différent, mais n'est pas différent dans les grandes lignes.

L'EFI (Extensible Firmware Interface) est un nouveau standard de firmware, similaire au BIOS, mais plus récent et plus adapté aux ordinateurs modernes. Le BIOS avait en effet quelques limitations, notamment le fait que la table des partitions utilisée par le BIOS ne permettait pas de gérer des partitions de plus de 2,1 téraoctets. De plus, le BIOS devait gérer les anciens modes d'adressage mémoire des PC x86 : mémoire étendue, haute, conventionnelle, ce qui forçait le BIOS à utiliser des registres 16 bits lors de l’amorçage, ainsi qu'un ancien jeu d'instruction aujourd’hui obsolète. L'EFI a été conçu sans ces limitations, lui permettant d'utiliser tout l'espace d'adressage 64 bits, et sans limitations de taille de partition.

Les normes de l'EFI et de l'UEFI (une version plus récente) vont plus loin que simplement modifier le BIOS. Ils ajoutent diverses fonctionnalités supplémentaire, qui ne sont pas censées être du ressort d'un firmware de démarrage. Certains UEFI disposent de programmes de diagnostic mémoire, de programmes de restauration système, de programmes permettant d’accéder à internet et bien d'autres. L'EFI peut ainsi être vu comme un logiciel intermédiaire entre le firmware et l'OS. Cependant, l'UEFI gère la rétrocompatibilité avec les anciens BIOS, ce qui fait qu'ils conservent les anciennes fonctionnalités du BIOS. Aussi, tout ce qui est dit dans cette section sera aussi valide pour l'UEFI, dans une certaine mesure.

En plus du BIOS système, les cartes d'extension peuvent avoir un BIOS. Par exemple, les cartes graphiques actuelles contiennent toutes un BIOS vidéo, une mémoire ROM ou EEPROM qui contient des programmes capables d'afficher du texte et des graphismes monochromes ou 256 couleurs à l'écran. Lors du démarrage de l'ordinateur, ce sont ces routines qui sont utilisées pour gérer l'affichage avant que le système d'exploitation ne lance les pilotes graphiques. On peut aussi citer le cas des cartes réseaux, certaines permettant de démarrer un ordinateur sur le réseau. Ces BIOS sont ce qu'on appelle des BIOS d'extension. Le contenu des BIOS d'extension dépend fortement du périphérique en question, contrairement au BIOS système dont le contenu est relativement bien standardisé.

L'accès au BIOS

Organisation de la mémoire d'un PC doté d'un BIOS.

Il faut noter que le processeur démarre systématiquement en mode réel, un mode d'exécution spécifique aux processeurs x86, où le processeur n'a accès qu'à 1 mébioctet de mémoire (les adresses font 20 bits maximum). C'est un mode de compatibilité qui existe parce que les premiers processeurs x86 avaient des adresses de 20 bits, ce qui fait 1 mébioctet de mémoire adressable. En mode réel, Le premier mébioctet de mémoire est décomposé en deux portions de mémoire : les premiers 640 kibioctets sont ce qu'on appelle la mémoire conventionnelle, alors que les octets restants forment la mémoire haute.

Les deux premiers kibioctets de la mémoire conventionnelle sont réservés au BIOS, le reste est utilisé par le système d'exploitation (MS-DOS, avant sa version 5.0) et le programme en cours d’exécution. Pour être plus précis, les premiers octets contiennent non pas le BIOS, mais la BIOS Data Area utilisée par le BIOS pour stocker des données diverses, qui commence à l'adresse 0040:0000h, a une taille de 255 octets, et est initialisée lors du démarrage de l'ordinateur.

La mémoire haute est réservée pour communiquer avec les périphériques. On y trouve aussi le BIOS de l'ordinateur, mais aussi les BIOS des périphériques (dont celui de la carte vidéo, s'il existe), qui sont nécessaires pour les initialiser et parfois pour communiquer avec eux. De plus, on y trouve la mémoire de la carte vidéo, et éventuellement la mémoire d'autres périphériques comme la carte son.

Par la suite, le BIOS démarre le système d'exploitation, qui bascule en mode protégé, un mode d'exécution où il peut utiliser des adresses mémoires de 32/64 bits et utiliser la mémoire étendue au-delà du premier mébioctet.

Le démarrage de l'ordinateur

Au démarrage de l'ordinateur, le processeur est initialisé de manière à commencer l'exécution des instructions à partir de l'adresse 0xFFFF:0000h là où se trouve le BIOS. Pour info, cette adresse est l'adresse maximale en mémoire réelle moins 16 octets. Le BIOS s’exécute et initialise l'ordinateur avant de laisser la main au système d'exploitation.

Le BIOS commence la séquence de démarrage avec le POST (Power On Self Test), qui effectue quelques vérifications. Il commence par vérifier que le BIOS est OK, en vérifiant une somme de contrôle présente à la fin du BIOS lui-même. Il vérifie ensuite l'intégrité des 640 premiers kibioctets de la mémoire.

Ensuite, les périphériques sont détectés, testés et configurés pour garantir leur fonctionnement. Pour cela, le BIOS explore la mémoire haute pour détecter les BIOS d'extension. Si un BIOS d'extension est détecté, le BIOS système lui passe la main, grâce à un branchement vers l'adresse du code du BIOS d'extension. Ce BIOS peut alors faire ce qu'il veut, mais il finit par rendre la main au BIOS (avec un branchement) quand il a terminé son travail.

Pour détecter les BIOS d'extension, le BIOS lit la mémoire haute par pas de 2 kibioctets. En clair, il analyse toutes les adresses multiples de 2 kibioctets, dans la mémoire haute. Par exemple, le BIOS regarde s'il y a un BIOS vidéo aux adresses mémoire 0x000C:0000h et 0x000E:0000h. Il y recherche une valeur bien précise qui indique qu'une ROM est présente à cet endroit : la valeur en question vaut 0x55AA. Cette valeur est suivie par un octet qui indique la taille de la ROM, lui-même suivi par le code du BIOS d'extension.

Ensuite, le BIOS effectue quelques opérations de configuration assez diverses, aux description assez barbares (initialiser le vecteur d'interruption de l'ordinateur, passage en mode protégé, et bien d'autres). En cas d'erreur à cette étape, le BIOS émet une séquence de bips, la séquence dépendant de l'erreur et de la carte mère. Pour cela, le BIOS est relié à un buzzer placé sur la carte mère. Si vous entendez cette suite de bips, la lecture du manuel de la carte mère vous permettra de savoir quelle est l'erreur qui correspond.

Si tout fonctionne bien, une interface graphique s'affiche. La majorité des cartes mères permettent d'accéder à une interface pour configurer le BIOS, en appuyant sur F1 ou une autre touche lors du démarrage. Cette interface donne accès à plusieurs options modifiables, qui permettent de configurer le matériel. Le BIOS utilise une interface assez basique, limitée à du texte, alors que l'UEFI gère une vraie interface graphique, avec un affichage pixel par pixel.

Par la suite, le BIOS démarre le système d'exploitation. Le processus est totalement différent entre BIOS et UEFI. Dans les deux cas, le BIOS lit une structure de données sur le disque dur, qui contient toutes les informations pertinentes pour lancer le système d'exploitation. Elle est appelée le MBR pour le BIOS, la GPT pour l'UEFI. La première est limitée à des partitions de 2 téraoctets, pas la seconde, la structure n'est pas la même, de même que le mécanisme de boot. Mais on rentre alors dans un domaine différent, celui du fonctionnement logiciel des systèmes d'exploitation. Je renvoie ceux qui veulent en savoir plus à mon wikilivre sur les systèmes d'exploitation, et plus précisément au chapitre sur Le démarrage d'un ordinateur.

Les paramètres du BIOS

Si vous avez déjà fouillé dans l'interface graphique du BIOS, vous avez remarqué que celui-ci fournit beaucoup d'options de configuration. Ils sont peu nombreux sur les PC constructeurs, mais en grand nombre sur les PC montés à la main. La raison est que les PC constructeurs utilisent des BIOS personnalisés, qui réduisent volontairement le nombre d'options accessibles à l'utilisateur. Le but est de réduire les appels au SAV ou les retour garanties faisant suite à une mauvaise manipulation du BIOS. Les cartes mères vendues à l'unité, dans les PC fait maison, n'ont pas ces contraintes et fournissent toutes les options disponibles.

Mais le fait qu'il y ait des options dans le BIOS devrait nous poser une question. Le BIOS est stocké dans une mémoire ROM, qu'on peut lire, mais pas modifier. Vous me rétorquerez sans doute que le fait qu'on puisse flasher le BIOS contredit cela, que le BIOS est stocké dans une FLASH, pas dans de la ROM. Mais malgré tout, cela n'est pas compatible avec une modification rapide des options du BIOS : on n'efface pas toute la FLASH du BIOS en modifiant une simple option. Alors où sont stockés ces paramètres de configuration ?

La réponse est qu'ils sont stockés dans une mémoire FLASH ou EEPROM séparée du BIOS, appelée la Non-volatile BIOS memory. L'implémentation exacte dépend du BIOS. Au tout début, sur les premiers PC IBM et autres, il s'agissait d'une EEPROM séparée. Mais rapidement, elle a été fusionnée avec d'autres mémoires naturellement présentes sur la carte mère. Elle a ensuite été fusionnée avec la CMOS RAM, une mémoire RAM que nous verrons plus bas dans la suite du chapitre. De nos jours, elle est intégrée dans le chipset de la carte mère, avec la CMOS RAM et bien d'autres composants.

Une fonction obsolète : la gestion des périphériques

Autrefois, la gestion des périphériques était intégralement le fait du BIOS. Ce n'est pas pour rien que « BIOS » est l'abréviation de Basic Input Output System, ce qui signifie « programme basique d'entrée-sortie ». Pour cela, il intégrait des morceaux de code dédiés qui servaient à gérer le disque dur, la carte graphique, etc. Intuitivement, si je dis morceau de code, les programmeurs se disent qu'il doit s'agir de fonctions logicielles, en référence à une fonctionnalité commune de tous les langages de programmation modernes. Pour être plus précis, il s'agit en réalité de routines d'interruptions, mais la différence sera expliquée dans un chapitre ultérieur portant justement sur les interruptions, dans lequel nous étudierons rapidement les interruptions du BIOS.

Les circuits de surveillance matérielle : RESET et NMI

Les circuits de surveillance matérielle vérifient en permanence la tension d'alimentation, la fréquence d'horloge, les températures, le bon fonctionnement de la mémoire, et bien d'autres choses. En cas de problèmes, ils peuvent redémarrer l'ordinateur ou l'éteindre. Pour cela, ces circuits communiquent directement avec le processeur, grâce à deux entrées sur processeur : l'entrée RESET, et l'entrée d'interruption non-masquable NMI (Non-Maskable Interrupt). L'entrée RESET a nom un assez transparent et on comprend qu'elle redémarre le processeur. L'entrée d'interruption non-masquable mérite cependant quelques explications.

L'entrée RESET du processeur

Le processeur dispose d'une entrée RESET qui, comme son nom l'indique, le réinitialise quand on met le niveau logique ou front adéquat dessus. Lorsqu'on envoie le signal adéquat sur l'entrée RESET, le processeur remet à zéro tous ses registres et lance la procédure d'initialisation du program counter. Il peut être initialisé de deux façons différentes. Avec la première, il est initialisé à une valeur fixe, déterminée lors de la conception du processeur, souvent l'adresse 0. L'autre solution ajoute une indirection, elle précise l'adresse d’initialisation dans le firmware. Le processeur lit le firmware à une adresse fixée à l'avance, pour récupérer l'adresse de la première instruction et effectuer un branchement.

L'entrée RESET est lié de près ou de loin au bouton d'alimentation de l'ordinateur. Quand vous allumez votre ordinateur, cette broche RESET est activée, le processeur démarre. Aussi, si vous appuyez environ 10/15 secondes sur le bouton d'alimentation, l'ordinateur redémarre. C'est parce que l'entrée RESET a été activé par l'appui continu du bouton. Attention cependant, certains ordinateurs ou certaines consoles de jeu vidéo avaient un bouton RESET directement connectée au signal RESET : appuyer et relâcher le bouton active le signal RESET sans délai.

Le signal RESET n'est pas produit directement par le bouton d'allumage. En effet, au démarrage de l’ordinateur, le processeur ne peut pas être RESET immédiatement. Il doit attendre que la tension d'alimentation se stabilise, que le signal d'horloge se stabilise, etc. Pour cela, des circuits aux noms barbares de Power On Reset et d'Oscilator startup timer vérifient la stabilité de la tension et de l'horloge. Le signal RESET n'est généré que si les conditions adéquates sont remplies.

Le signal RESET est donc produit au démarrage, mais il peut aussi être produit lors du fonctionnement de l'ordinateur, pour redémarrer en urgence l'ordinateur en cas de gros problème matériel. Par exemple, en cas de défaillance de l'alimentation, un signal RESET peut être produit pour limiter les dégats. Nous verrons aussi l'exemple du watchdog timer dans ce qui suit. Pour résumer, le signal RESET est produit en combinant plusieurs signaux, provenant de circuits de surveillance matérielle dispersés sur la carte mère. Nous verrons ceux-ci dans la suite du chapitre, car nous les verrons indépendamment les uns des autres.

Vous vous demandez sans doute pourquoi j'ai parlé de redémarrage d'urgence en cas de problème, au lieu d'un banal redémarrage. La raison est que les deux ne sont pas du tout les mêmes, surtout au regarde de l'entrée RESET. Le redémarrage via l'entrée de RESET est aussi appelée un reset hardware, et on l'oppose au reset logiciel. Un reset logiciel est simplement le reset qui a lieu quand vous redémarrez votre ordinateur normalement, en demandant à Windows/linux de redémarrer. Il n'implique pas l'usage de l'entrée RESET, du moins il n'est pas censé le faire. Les méthodes pour RESET un processeur de manière logicielle dépendent beaucoup du processeur considéré. Sur les processeurs x86, il a une demi-douzaine de méthodes différentes.

Une méthode courante sur les CPU x86 et ARM utilise un registre de reset. Les processeur écrivent dans ce registre pour déclencher un RESET. Suivant ce qu'ils écrivent dedans, ils peuvent déclencher tel ou tel type de reset (cold reset, warm reset, éteindre l'ordinateur, autres). Avec l'UEFI, le firwmare dispose d'une fonction faite pour, que le système d'exploitation peut appeler à volonté. Il peut aussi tenter d'exécuter des branchements spécifiques. Mais un tel reset logiciel ne fait pas usage de l'entrée RESET proprement dit.

Il y avait cependant une exception de taille, où le logiciel pouvait déclencher un reset hardware, par l'intermédiaire d'un circuit appelé le contrôleur de clavier 8279. Le contrôleur de clavier 8279, comme son nom l'indique, est un circuit connecté au port clavier/souris. Les anciens PC avaient des ports PS/2 pour le clavier et la souris, et le contrôleur de clavier 8279 était situé de l'autre côté du connecteur. Il s'agissait d'un microcontroleur qui recevait les touches appuyées sur le clavier, configurait les LED pour le verr num, l'arret defil et autres. Mais une des broche de sortie de ce microcontroleur était directement reliée à l'entrée RESET du processeur, il y avait juste quelques portes logiques entre les deux. En configurant le controleur de clavier, on pouvait lui faire faire un RESET via l'entrée RESET !

L'entrée NMI d'interruption non-masquable

L'entrée RESET est plus rarement utilisée lorsqu'une défaillance matérielle irrécupérable est détectée. Le résultat de telles défaillances est que l'ordinateur est arrêté de force, redémarré de force, ou affiche un écran bleu. Redémarrer l'ordinateur est possible avec un signal RESET, mais pas l'affichage d'un écran bleu ou éteindre l'ordinateur. Pour cela, le processeur dispose d'une seconde entrée, séparée du RESET, appelée l'entrée NMI. Pour simplifier, il s'agit d'une entrée pour l'arrêt d'urgence. Lorsqu'on envoie le signal adéquat sur l'entrée NMI, le processeur stoppe immédiatement ce qu'il est en train de faire, puis exécute un programme d'arrêt urgence. Ce dernier détecte l'origine de l'erreur et réagit en conséquence : soit en réparant l'erreur, soit en affichant un écran bleu, soit en éteignant l'ordinateur.

Nous verrons dans quelques chapitres le concept d'interruption, et précisément d'interruption non-masquable. Pour simplifier, une interruption est ce qui permet de stopper le processeur pour lui faire exécuter un programme d'urgence, avant de reprendre l'exécution. L'acronyme NMI signifie Non Maskable Interrupt, ce qui veut dire interruption non-masquable, non-masquable dans le sens où l'interruption ne peut pas être ignorée ou retardée.

Les deux entrées NMI et RESET semblent foncièrement différentes et s'utilisent dans des circonstances distinctes. Cependant, quelques circuits sur la carte mère sont reliées aux deux entrées. C'est le cas des circuits qui surveillent la tension d'alimentation et l'horloge. Un ordinateur ne peut pas fonctionner si la tension d'alimentation n'est pas stable, idem pour la fréquence d'horloge, idem si les températures sont trop élevées. Si les conditions ne sont pas remplies, l'ordinateur ne peut pas démarrer. De même, en cas de défaillance de la tension d'alimentation ou de la fréquence, le processeur doit être éteint via l'entrée NMI. Aussi, divers circuits vérifient ces paramètres en permanence. Ils autorisent le démarrage de l’ordinateur via l'entrée RESET, mais peuvent aussi le redémarrer ou activer l'entrée NMI si besoin. Les entrées NMI et RESET sont donc reliées à des circuits communs.

Le watchdog timer est reliée à l'entrée RESET

Un autre exemple d'utilisation de l'entrée RESET du processeur est lié au watchdog timer. Pour rappel, le watchdog timer est un mécanisme de sécurité qui redémarre automatiquement l'ordinateur s'ils suspecte que celui-ci a planté. Le watchdog timer est un compteur/décompteur qui est connecté à l'entrée RESET du processeur. Si le compteur/décompteur déborde (au sens débordement d'entier), alors il génère un signal RESET pour redémarrer le processeur. On part du principe que si l'ordinateur ne réinitialise par le watchdog timer, c'est qu'il a planté.

Le processeur réinitialise le watchdog timer régulièrement, ce qui signifie que le compteur est remis à zéro avant de déborder, et le système n'est pas censé redémarrer. Pour cela, il utilise l'entrée NMI, d'une manière assez particulière. Régulièrement, un timer séparé envoie un 1 sur l'entrée NMI. Le processeur exécute alors son programme d'urgence, qui cherche la source de l'interruption. Il remarque alors que l'activation de l'entrée NMI provient de ce timer. Le programme d'urgence réinitialise alors le watchdog timer.

La gestion des fréquences et les timers

Les composants d'un ordinateur sont cadencés à des fréquences très différentes. Par exemple, le processeur fonctionne avec une fréquence plus élevée que l'horloge de la mémoire RAM. Les différents signaux d'horloge sont générés par la carte mère. Intuitivement, on se dit qu'il y a un circuit dédié par fréquence. Mais c'est en fait une erreur : en réalité, il n'y a qu'un seul générateur d'horloge. Il produit une horloge de base, qui est « transformée » en plusieurs horloges, grâce à des montages électroniques spécialisés. Les avantages de cette méthode sont la simplicité et l'économie de circuits.

Les multiplieurs et diviseurs de fréquence

La fréquence de base est souvent très petite comparée à la fréquence du processeur ou de la mémoire, ce qui est contre-intuitif. Mais la fréquence de base est multipliée par les circuits transformateurs pour obtenir la fréquence du processeur, de la RAM, etc. Ainsi, la fréquence du processeur et de la RAM sont des multiples de cette fréquence de base. Naturellement, les circuits de conversion de fréquence sont donc appelés des multiplieurs de fréquence.

De nos jours, les ordinateurs font faire la multiplication de fréquence par un composant appelé une PLL (Phase Locked Loop), qui sont des composants assez versatiles et souvent programmables, mais il est aussi possible d'utiliser des circuits à base de portes logiques plus simples mais moins pratiques. Comprendre le fonctionnement des PLLs et des générateurs de fréquence demande des bases assez solides en électronique analogique, ce qui fait que nous n'en parlerons pas en détail dans ce cours.

Une carte mère peut aussi contenir des diviseurs de fréquences, pour générer des fréquences très basses. C'était surtout le cas avec les anciens systèmes, où certains bus allaient à quelques kiloHertz. Les diviseurs de fréquences sont fabriqués avec des compteurs, comme nous l'avions vu dans le chapitre sur les timers et diviseurs de fréquence. Vu que nous avons déjà abordé ces composants, nous ne reviendrons pas dessus.

Le générateur de fréquence : un oscillateur à Quartz

Le générateur de fréquence est le circuit qui génère le signal d'horloge envoyé au processeur, la mémoire RAM, et aux différents bus. Sans lui, le processeur et la mémoire ne peuvent pas fonctionner, vu que ce sont des circuits synchrones dans les PC actuels.

Il existe de nombreux circuits générateurs de fréquence, qui sont appelés des oscillateurs en électronique. Ils sont très nombreux, tellement qu'on pourrait écrire un livre entier sur le sujet. Entre les oscillateurs basés sur un circuit RLC (avec une résistance, un condensateur et une bobine), ceux basés sur une résistance négative, ceux avec des amplificateurs opérationnels, ceux avec des lampes à néon, et j'en passe ! Mais nous n'allons pas parler de tous les oscillateurs, la plupart n'étant pas utilisés dans les ordinateurs modernes.

La quasi-totalité des générateurs de fréquences des ordinateurs modernes sont des oscillateurs à quartz, similaires à celui présent dans les montres électroniques. Ils sont fabriqués en combinant un amplificateur avec un cristal de Quartz. Ils fournissent une fréquence de base qui varie suivant le modèle considéré, mais qui est souvent de 32 768 Hertz, soit 2^15 cycles d'horloge par seconde. Le cristal de Quartz a une forme facilement reconnaissable, comme montré dans l'image ci-contre. Vous pouvez le repérer assez facilement sur une carte mère si jamais vous en avez l'occasion.

Pour ceux qui voudraient en savoir plus sur le sujet, sachez que le wikilivre d'électronique a un chapitre dédié à ce sujet, disponible via le lien suivant. Attention cependant : le chapitre n'est compréhensible que si vous avez déjà lu les chapitres précédents du wikilivre sur l'électronique et il est recommandé d'avoir une bonne connaissance des circuits RLC/LC, sans quoi vous ne comprendrez pas grand-chose au chapitre.

Électronique/Les oscillateurs (générateurs de fréquence)

Les timers intégrés à la carte mère

Le générateur de fréquence est souvent combiné à des timers, des circuits qui comptent des durées bien précises et sont capables de générer des fréquences. Pour rappel, les timers sont des compteurs/décompteurs qui génèrent un signal quand ils atteignent une valeur limite. Ils permettent de compter des durées, exprimées en cycles d’horloge. Les fonctions de Windows ou de certains logiciels se basent là-dessus, comme celles pour baisser la luminosité à une heure précise, passer les couleurs de l'écran en mode nuit, certaines notifications, les tâches planifiées, et j'en passe.

Ils permettent aussi d’exécuter un tâche précise à intervalle régulier, ou après une certaine durée. Par exemple, on peut vouloir générer une interruption à une fréquence de 60 Hz, pour gérer le rafraichissement de l'écran. Une telle fonctionnalité s'utilisait autrefois sur les anciens ordinateurs ou sur les anciennes consoles de jeux vidéo et portait le nom de raster interrupt.

Un ordinateur est rempli de timers divers, qui se trouvent sur la carte mère ou dans le processeur, tout dépend du timer. Sur les anciens PC, la carte mère incorpore deux timers : l'horloge temps réel et le PIT. L'horloge temps réel génère une fréquence de 1024 Hz, alors que le PIT est un Intel 8253 ou un Intel 8254 programmable par l'utilisateur. Les PC récents n'ont qu'un seul timer sur la carte mère, qui remplace les deux précédents : le High Precision Event Timer. Un ordinateur contient d'autres timers, comme le timer ACPI, le timer APIC, ou le Time Stamp Counter, mais ces derniers sont intégrés dans le processeur et non sur la carte mère. Plus rarement, certaines cartes mères possèdent un watchdog timer.

L'Oscillator start-up timer : la stabilité de l'horloge au démarrage

Au démarrage de l'ordinateur, la tension d'horloge n'est pas stable. Il faut un certain temps pour que les circuits de génération d'horloge se stabilisent et fournissent un signal d'horloge stable. Et tant que le signal d'horloge n'est pas stable, le processeur n'est pas censé démarrer. L'Oscillator start-up timer est un circuit qui temporise en attendant que le signal d'horloge se stabilise. Le signal RESET, nécessaire pour démarrer le processeur, n'est mis à 1 que si l'Oscillator start-up timer lui donne le feu vert.

Dans son implémentation la plus simple, il s'agit d'un simple timer, un vulgaire compteur qui attend qu'un certain nombre de cycles d'horloge se soient écoulés. Il est supposé que la fréquence est stable après ce nombre de cycles. Par exemple, sur les microcontrôleurs PIC 8-bits, l'OST compte 1024 cycles d'horloge avant d'autoriser le RESET. D'autres processeurs attendent durant un nombre de cycles plus important, le nombre de cycles exact dépend de la fréquence. Notez que l'OST attend un certain nombre de cycles. Les premiers cycles sont irréguliers, le tout se stabilise vers la fin, ce qui ne correspond pas à un temps bien défini, une petite variabilité est toujours présente.

Un exemple de circuit générateur de fréquence : l'Intel 8284

L'Oscillator start-up timer est parfois fusionné avec d'autres circuits, dont des multiplieurs/divisieurs de fréquence et des timers. Un bon exemple est celui de l'Intel 8284, un circuit qui fusionne Oscillator start-up timer, diviseur de fréquence et générateur de fréquence.

Il est possible de le relier à un cristal de Quartz sur deux entrées nommée X1 et X2, et il génère alors un signal d'horloge à partir de ce qu'il reçoit du cristal. Le signal d'horloge généré est alors disponible sur une sortie dédiée, la sortie OSC. C'est la fonction générateur d'horloge. Dans le détail, pour générer une fréquence, il faut combiner un cristal de Quartz avec un circuit dit oscillateur. L'Intel 8284 incorpore l’oscillateur, mais pas le cristal de Quartz.

Il est aussi possible de l'utiliser en tant que diviseur de tension, bien que ce soit rudimentaire. La fréquence d'entrée est divisée par trois et le résultat est présenté sur la sortie PCLK. La fréquence de sortie a alors un rapport cyclique de 1/3. L'implémentation de la division par trois se fait avec un simple compteur. Un second signal d'horloge est disponible sur la sortie nommée CLK. Il a une de fréquence deux fois moindre que le premier, soit 6 fois moins que la fréquence d'entrée, et a un rappoort cyclique de 50% (signal carré).

Un point important est que la fréquence d'entrée peut provenir de deux sources différentes. En premier lieu, elle peut être présentée sur une broche séparée, appelée l'entrée EFI. En second lieu, elle peut provenir de l’oscillateur à Qaurtz intégré au 8284. Le choix entre les deux se fait avec l'entrée F/C : oscillateur si c'est un 1, entrée EFI si c'est un 0.

L'intérieur du circuit est assez simple : un timer pour l'OST, un oscilateur à Quartz, un multiplexeur pour choisir la fréquence d'entrée, deux compteurs pour les diviseurs de fréquences.

Annexe : le bouton Turbo des vieux PC

Si vous êtes assez vieux, vous avez peut-être déjà utilisé un PC qui disposait d'un bouton Turbo à côté du bouton ON/OFF. Vous êtes vous êtes demandé ce à quoi servait ce bouton ? Et surtout : saviez-vous que contre-intuitivement, il ralentissait l'ordinateur ? La raison à cela est partiellement liée à la fréquence du processeur : le bouton Turbo réduisait la fréquence du processeur (sauf exceptions) ! La raison est une question de compatibilité logicielle avec les processeurs 8086 et 8088 d'Intel.

A l'époque, de nombreux jeux ou logiciels interactifs se basaient sur la fréquence du CPU pour timer des actions/évènements. Mais lors du passage au processeurs 286, 396 et 486, la fréquence du CPU a augmenté. Les logiciels allaient alors plus rapidement, les jeux vidéos étaient accélérés au point d'en devenir injouables. L'effet était un peu similaire à la différence entre jeux en 50 et 60 Hz, sauf qu'ici, la fréquence était multipliée par 2, 4, voire 10 ! Le 8088 avait une fréquence de 4,77 MHz et le 8086 allait à 5 MHz. Le 186 allait à 6 MHz, le 286 allait à 10 ou 12.5 MHz selon la version, le 386 allait de 12.5 MHz à 40 MHz selon la version, et le 486 allait de 16 à 100 MHz.

Pour éviter cela, les ordinateurs ont ajouté un bouton Turbo, qui était en réalité un bouton de compatibilité. Lorsqu'on l'appuyait, la vitesse de l'ordinateur était réduite de manière à faire tourner les anciens jeux/logiciels à la bonne vitesse. En clair, le bouton était mal nommé et faisait l'inverse de ce qu'on peut croire intuitivement. Du moins, c'était le principe. Quelques ordinateurs fonctionnaient à vitesse réduite à l'état normal et il fallait appuyer sur le bouton Turbo pour retrouver une vitesse normale.

Et le bouton Turbo agissait sur la fréquence du CPU. Il baissait sa fréquence pour le faire descendre aux 4,77/5 MHz adéquats. Du moins, certaines cartes mères faisaient ainsi. Des rumeurs prétendent que certains carte mères faisaient autrement, en désactivant le cache du processeur, ou en réduisant la fréquence effective du bus (en ajoutant des wait state, des cycles où le bus est inutilisé). Mais dans la majorité des cas, on peut supposer que la réduction de la fréquence était belle et bien utilisée. Et pour cela, il fallait relier le bouton Turbo à des circuits diviseurs de fréquence pour réduire la fréquence du CPU. Qu'un bouton soit relié, même indiretcement aux circuits d'horloge, est tout de même quelque chose d'assez inattendu. Imaginez si les PC actuels avaient un bouton "Power Saving" qui réduisait la fréquence du processeur.

L'horloge temps réel et la CMOS RAM

Parmi tous les timers présents sur la carte mère, l'horloge temps réel se démarque des autres. Dans ce qui suit, nous la noterons RTC, ce qui est l'acronyme du terme anglais Real Time Clock. La RTC est cadencée à fréquence de 1 024 Hz, soit près d'un Kilohertz, ou du moins un circuit capable de l'émuler. La RTC est parfois connectée à l'entrée d'interruption non-masquable, car elle est utilisée pour des fonctions importantes du système d'exploitation, comme la commutation entre les processus, et bien d'autres. Mais son fonction principale est toute autre.

La RTC est utilisée par le système pour compter les secondes, afin que l'ordinateur soit toujours à l'heure. Vous savez déjà que l'ordinateur sait quelle heure il est (vous pouvez regarder le bureau de Windows dans le coin inférieur droit de votre écran pour vous en convaincre) et il peut le faire avec une précision de l'ordre de la seconde.

La CMOS RAM

Pour savoir quel jour, heure, minute et seconde il est, l'ordinateur utilise la RTC, ainsi qu'un circuit pour mémoriser la date. La CMOS RAM mémorise la date exacte à la seconde près. Son nom nous dit qu'elle est fabriquée avec des transistors CMOS, mais aussi qu'il s'agit d'une mémoire RAM. Mais attention, il s'agit d'une mémoire RAM non-volatile, c'est à dire qu'elle ne perd pas ses données quand on éteint l'ordinateur. Nous expliquerons dans la section suivante comment cette RAM fait pour être non-volatile.

La CMOS RAM est adressable, mais on y accède indirectement, comme si c'était un périphérique, à savoir que la CMOS RAM est mappée en mémoire. On y accède via les adresses 0x0007 0000 et 0x0007 0001 (ces adresses sont écrites en hexadécimal). Elle mémorise, outre la date et l'heure, des informations annexes, comme les paramètres du BIOS (voir plus bas). Oui, vous avez bien lu : la CMOS RAM est utilisée pour stocker les paramètres du BIOS vu plus haut, elle sert de non-volatile BIOS memory. Il s'agit là d'une optimisation : au lieu d'utiliser une non-volatile BIOS memory et une CMOS RAM séparée, on utilise une seule mémoire non-volatile pour les deux. Mais la manière de stocker les paramètres du BIOS dans la CMOS RAM a beaucoup changé dans le temps.

Les anciens PC avaient un bus ISA, ancêtre du bus PCI. Et le BIOS devait mémoriser la configuration de bus, ainsi que l'ensemble des périphériques installé sur ce bus. Pour cela, ces données de configuration étaient stockées dans la CMOS RAM. Elles suivaient le standard dit d'Extended System Configuration Data. Il fournissait un format standard pour stocker les paramètres du bus ISA, l'adresse où placer ces données, et trois fonctions/interruptions du BIOS pour récupérer ces données. Les données de configuration ISA prenaient les 128 octets à la fin de CMOS ROM. Les bus plus récents ne mémorisent plus de données de configuration dans la CMOS RAM, ni même dans le BIOS.

La source d'alimentation de la RTC et de la CMOS RAM

L'horloge temps réel, l’oscillateur à Quartz et la CMOS RAM fonctionnent en permanence, même quand l'ordinateur est éteint. Mais cela implique que ces composants doivent être alimenté par une source d'énergie qui fonctionne lorsque l'ordinateur est débranché. Cette source d'énergie est souvent une petite pile au lithium localisée sur la carte mère, plus rarement une petite batterie. Elle alimente les trois composants en même temps, vu que tous les trois doivent fonctionner ordinateur éteint. Elle est facilement visible sur la carte mère, comme n'importe quelle personne qui a déjà ouvert un PC et regardé la carte mère en détail peut en témoigner.

Au passage : plus haut, nous avions dit que la CMOS RAM est une RAM non-volatile, c'est à dire qu'elle ne s'efface pas quand on éteint l’ordinateur. Et bien si elle l'est, c'est en réalité car elle est alimentée en permanence par une source secondaire de courant.

Sur la plupart des cartes mères, la RTC et la CMOS RAM sont fusionnées en un seul circuit qui s'occupe de la gestion de la date et des durées. Il arrive rarement que la pile au lithium soit intégrée dans ce circuit, mais c'est très rare. La plupart des concepteurs de carte mère préfèrent séparer la pile au lithium de la RTC/CMOS RAM pour une raison simple : on peut changer la pile au lithium en cas de problèmes. Ainsi, si la pile au lithium est vide, on peut la remplacer. Enlever la pile au lithium permet aussi de résoudre certains problèmes, en réinitialisant la CMOS RAM. L'enlever et la remettre réinitialise la CMOS RAM, ce qui remet à zéro la date, mais aussi les paramètres du BIOS.

Le chipset de la carte mère

L'organisation des cartes mères des ordinateurs personnels a évolué au cours du temps pendant que de nombreux bus apparaissaient. Les premiers ordinateurs faisaient avec un simple bus système qui connectait processeur, mémoire et entrée-sortie. Mais avec l'augmentation du nombre de périphériques et de composants systèmes, l'organisation des bus s'est complexifiée.

La première génération : les bus partagés

Pour les bus de première génération, un seul et unique bus reliait tous les composants de l'ordinateur. Ce bus s'appelait le bus système ou backplane bus. Ces bus de première génération avaient le fâcheux désavantage de relier des composants allant à des vitesses très différentes : il arrivait fréquemment qu'un composant rapide doive attendre qu'un composant lent libère le bus. Le processeur était le composant le plus touché par ces temps d'attente. Du fait de l'existence d'un bus unique, les entrées-sorties étaient mappées en mémoire

L'apparition du chipset

Les cartes mères récentes, après les années 1980, ne peuvent plus utiliser un bus unique, car il y a trop de composants à connecter dessus. A la place, elles utilisent une architecture à base de répartiteurs. Pour rappel, ce répartiteur est placé en avant du processeur et sert d'interface entre celui-ci, un bus pour la mémoire, et un bus pour les entrées-sorties. Mais il a aussi d'autres capacités qui dépassent de loin son rôle d'interface. Il a intégré des circuits comme le contrôleur mémoire, un contrôleur DMA, un contrôleur d'interruption, etc.

Un exemple est le chipset utilisé avec le processeur Intel 486, sorti en 1989. Il était connecté au processeur, à la mémoire RAM, aux différents bus, mais aussi à la mémoire cache (qui était séparé du processeur et placé sur la carte mère). Pour ce qui est des bus, il était connecté au bus PCI, au bus IDE pour le disque dur et au bus SMM. Il était indirectement connecté au bus ISA, un bus ancien conservé pour des raisons de rétrocompatibilité, mais qui avait été éclipsé par le PCI.

La séparation du chipset en deux

Un autre problème est que la mémoire et la carte graphique sont devenus de plus en plus rapide avec le temps, au point que les périphériques ne pouvaient plus suivre. Les différents composants de la carte mère sont séparés en deux catégories : les "composants lents" et les "composants rapides". Les composants rapides regroupent le processeur, la mémoire RAM et la carte graphique, les autres sont regroupés dans les composants lents. Les besoins entre des deux classes de composants étant différents, utiliser un seul bus pour les faire communiquer n'est pas idéal. Les composants rapides demandent des bus rapides, de forte fréquence, avec un gros débit pour communiquer, alors que les composants lents ont besoin de bus moins rapide, de plus faible fréquence.

Entre les années 80 et 2000, la solution retenue par les fabricants de cartes mères utilisait deux répartiteurs séparés : le northbridge et le southbridge. Le northbridge sert d'interface entre le processeur, la mémoire et la carte graphique et est connecté à chacun par un bus dédié. Il intègre notamment le controleur mémoire. Le southbridge est le répartiteur pour les composants lents. Le bus qui relie le processeur au northbridge est appelé le Front Side Bus, abrévié en FSB. Le bus de transmission qui relie le northbridge au southbridge est un bus dédié, spécifique au chipset considéré, sur lequel on ne peut pas dire de généralités.

Ce qui est mis dans le southbridge est très variable selon la carte mère. Le southbridge intègre généralement tout ce qu'il faut pour gérer des périphériques, ce qui inclut des circuits aux noms barbares comme des contrôleurs de périphériques, des contrôleurs d'interruptions, des contrôleurs DMA, etc. Mais les chipsets modernes ont tellement de transistors qu'on y intègre presque tout et n'importe quoi. Par exemple, les cartes mères des processeurs Intel 5 Series intégraient la Real Time Clock. Il arrive aussi que la CMOS RAM soit intégrée au southbridge. Par contre, sur la plupart des cartes mères, le BIOS est placé en-dehors du southbridge.

Il est arrivé que le chipset incorpore des cartes sons basiques, voire carrément des cartes graphiques (GPU). Les cartes son des chipsets étaient au départ assez mauvaises, mais ont rapidement augmenté en qualité, au point où plus personne n'utilise de carte son séparée dans son ordinateur. Quand aux GPU intégrés au chipset suffisaient largement pour une utilisation bureautique de l'ordinateur. Tant que l'utilisateur ne jouait pas à des jeux vidéos peu gourmands, le GPU du chipset suffisait. De plus, il consommait peu d'énergie et produisait peu de chaleur, le chipset avait juste à être refroidit par un simple radiateur. De nos jours, ils sont remplacées par les GPU intégrés aux processeurs, qui ont globalement les mêmes défauts et qualités.

Sur certaines cartes mères, le southbridge est complémenté par un circuit de Super IO, qui s'occupe des périphériques et bus anciens, comme le bus pour le lecteur de disquette, le port parallèle, le port série, et les ports PS/2 pour le clavier et la souris. De plus, ce circuit peut contenir beaucoup d'autres sous-circuits. Par exemple, il peut contenir des capteurs de température, les circuits qui contrôlent la vitesse des ventilateurs, divers timers, et quelques autres.

L'intégration du northbridge au processeur

Sur les cartes mères qui datent au moins des années 2000, depuis la sortie de l'Athlon64, le contrôleur mémoire a été intégré au processeur, ce qui est équivalent à dire que le northbridge est intégré au processeur. le southbridge est encore là, il est toujours connecté au processeur et aux périphériques. Concrètement, le processeur a un bus mémoire séparé, non-connecté au répartiteur de type southbridge.

Les raisons derrière cette intégration ne sont pas très nombreuses. La raison principale est qu'elle permet diverses optimisations quant aux transferts avec la mémoire RAM. De sombres histoires de prefetching, d'optimisation des commandes, et j'en passe. La seconde est surtout que cela simplifie la conception des cartes mères, sans pour autant rendre vraiment plus complexe la fabrication du processeur. Les industriels y trouvent leur compte.

Par la suite, la carte graphique fût aussi connectée directement sur le processeur. Le processeur incorpore pour cela des contrôleurs PCI-Express, et même d'autres circuits contrôleurs de périphériques. Le northbridge disparu alors complétement. Sur les cartes mères Intel récentes, le chipset est appelé le Platform Controler Hub, ou PCH. l'organisation des bus sur la carte mère qui résulte de cette connexion du processeur à la carte graphique, est illustrée ci-dessous, avec l'exemple du PCH.

La gestion thermique : sondes de température et ventilateurs

Une fonctionnalité importante des cartes mères modernes est la gestion de la température, ainsi que le contrôle des ventilateurs. La carte mère surveille en permanence la température du processeur, éventuellement celle du GPU ou du chipset, et réagit en conséquence. Les réactions ne sont pas très variées, la plus simple est de simplement faire tourner les ventilateurs plus ou moins vite. Mais la carte mère peut aussi réduire la fréquence du processeur en cas de température trop importante, si les ventilateurs ne suivent pas, voire déclencher un arrêt d'urgence si le processeur chauffe trop. Tout cela est regroupé sous le terme de gestion thermique.

La carte mère incorpore un circuit pour la gestion thermique. Concrètement, le circuit varie pas mal selon la carte mère. Il peut faire partie du chipset, précisément dans le southbridge. Mais il se peut aussi qu'il soit séparé des autres, soudé sur la carte mère. Dans ce qui suit, nous partons du principe qu'il s'agit d'un microcontrôleur placé sur la carte mère ou intégré au chipset. Nous l'appellerons le microcontrôleur de surveillance hardware.

Le microcontrôleur de surveillance lit la température et décide comment commander les ventilateurs. La mesure est généralement directe, par l'intermédiaire d'un bus plus ou moins dédié. Par exemple, sur les anciens processeurs Core 2 Duo d'Intel, le bus était appelé le bus PECI. Il peut aussi lire indirectement la température via le chipset de la carte mère. Mais il existe une voie alternative, où le processeur ordonne directement d'augmenter la vitesse des ventilateurs, sans lecture des températures. Pour cela, il est connecté au microcontrôleur de surveillance, avec un fil dédié. Si le processeur met à 1 ce fil dédié, le microcontrôleur de surveillance réagit immédiatement en faisant tourner les ventilateurs plus vite.

Pour l'anecdote, le microcontrôleur de surveillance des PC était initialement un contrôleur de clavier PS/2, le "Keyboard Controller BIOS". Et ce contrôleur disposait déjà d'un fil connecté à l'entrée RESET du processeur, ce qui fait qu'il est techniquement possible de redémarrer son ordinateur par l'intermédiaire du contrôleur de clavier... Vu qu'il y avait déjà un microcontrôleur présent sur la carte mère, il a été décidé de le réutiliser pour des tâches autres, comme la gestion thermique, de la gestion des tensions d'alimentation, des régulateurs de tension, le démarrage (normal ou via réseau), la mise en veille, etc. De nos jours encore, le microcontrôleur de surveillance gère le touchpad.

La mesure de la température : les sondes thermiques

Le microcontrôleur de surveillance contrôle la vitesse du ventilateur en fonction de la température mesurée. Pour cela, le microcontrôleur de surveillance est relié à une ou plusieurs sondes qui mesurent la température. De nos jours, la sonde est intégrée dans le processeur. La sonde thermique du processeur peut être complétée par des sondes sur la carte mère. Il y a aussi des sondes dans le disque dur, le GPU, parfois dans la mémoire RAM, etc. Mais le gros du travail est réalisé par une sonde intra-processeur.

Pour mesurer la température, le processeur incorpore un capteur de température, souvent appelé la diode thermique. Le terme implique qu'il s'agit d'une diode qui est utilisée pour mesurer la température. C'était effectivement le cas auparavant, au tout début de l'informatique. Mais de nos jours, on utilise des senseurs différents, généralement basés sur des transistors configurés de manière à marcher comme une diode. Il faut dire que transistors et diodes sont basés sur des jonctions PN, ce qui fait qu'un transistor peut émuler une diode, mais passons.

L'implémentation originale avec une diode est assez simple à comprendre. La tension aux bornes d'une diode est égale à ceci :

{\text{Tension aux bornes d'une diode}}={\text{Tension de base}}-K\times {\text{Température}}

En clair, plus la température est élevée, plus la tension aux bornes de la diode chute. Dit autrement, une diode laisse d'autant mieux passer le courant. Elle chute assez rapidement, au rythme de 2 milli-volts pour chaque degré de plus. Le coefficient K vaut donc $-2mV$ . Au final, cela donne une différence d'une centaine de millivolts aux hautes températures. Et cela peut se mesurer assez bien. La tension résultante est ensuite convertie soit en tension, soit en un nombre codé en binaire par un convertisseur analogique-numérique.

Le processeur contient au moins une diode thermique, qui est placée à l'endroit le plus susceptible de chauffer. Il y en a généralement une par cœur, afin de gérer individuellement la température de chaque cœur. Généralement, la température mesurée est convertie en digital/numérique et est mémorisée dans un registre, qui est très régulièrement mis à jour. Le registre peut même être consulté par le logiciel, ce qui explique que de nombreux logiciels de surveillance matérielles permettent de connaitre en temps réel les températures du CPU, du GPU, de la mémoire, du SSD, etc.

Le throttling du CPU et l'arrêt d'urgence en cas de surchauffe

Il arrive que le processeur chauffe trop, alors que les ventilateurs tournent à leur vitesse maximale. Dans ce cas, la solution est de réduire la fréquence du processeur et sa tension, afin qu'il consomme moins et donc chauffe moins. On dit que le processeur throttle, la technique qui réduit immédiatement la fréquence en cas de surchauffe est souvent appelée le throttling. Le throttling peut s'implémenter dans le processeur ou dans le microcontrôleur de surveillance, les deux vont souvent de pair. Mais l'implémentation dans le processeur est la plus simple.

L'implémenter est assez simple. On rappelle que le processeur contient un multiplieur de fréquence configurable qui lui permet de régler en direct sa fréquence, de même qu'il contient un régulateur de tension interne lui aussi configurable. Il y a la même chose sur la carte mère. Les circuits de throttling lisent la mesure provenant de la diode thermique, puis configurent les multiplieurs de fréquence/tension.

Une température trop forte peut endommager le processeur, définitivement. Il y a un seuil de température au-delà duquel le processeur est en danger et peut fondre, prendre feu, ou tout simplement se dégrader. La température que le processeur ne doit en aucun cas dépasser est appelée la température de sureté. Au-delà de la température de sureté, la température est tellement élevée que le processeur peut être endommagé et doit immédiatement être mis en pause.

Pour éviter cela, le processeur est arrêté de force en cas de température trop forte. Dans ce cas, c'est autant le processeur que le microcontrôleur de surveillance qui sont impliqués. Si la température continue d'augmenter malgré le throttling, ou qu'elle est tout simplement trop forte, le processeur déclenche un arrêt d'urgence et le microcontrôleur de surveillance l'exécute. Le processeur a une sortie PROCHOT qui indique que la température de sureté est dépassée, qui est reliée sur une entrée dédiée du microcontrôleur de surveillance. Lorsque le microcontrôleur de surveillance détecte un 1 sur le fil PROCHOT, il déclenche immédiatement un arrêt d'urgence.

Le contrôle des ventilateurs

Le ventilateur principal sur une carte mère est le plus souvent du ventilateur du processeur, placé au-dessus du radiateur. Mais il y a parfois des ventilateurs placés dans le boitier ou sur le chipset, qui sont eux aussi commandés par la carte mère. Ils servent à dissiper la chaleur produite par le fonctionnement de l'ordinateur, qui est d'autant plus forte que le processeur travaille.

Autrefois, les ventilateurs tournaient en permanence, tant que l'ordinateur était allumé. Je parle là d'un temps datant d'avant les années 90, et encore. Mais depuis, les ventilateurs ne sont pas utilisés au maximum en permanence. A la place, la vitesse des ventilateurs s'adapte aux besoins. Précisément, ils s'adaptent à la consommation du processeur : plus le processeur fait de calcul, plus il émet de chaleur, plus les ventilateurs tournent rapidement.

Dans le cas le plus simple, le microcontrôleur de surveillance se contente d'allumer ou d'éteindre le ventilateur. Le résultat est un ventilateur qui tourne à plein pot ou s'arrête totalement. Le ventilateur était allumé au-dessus d'un certain seuil, éteint sous ce seuil. Pour simplifier, nous allons appeler cette technique la gestion des ventilateurs à un seuil. Elle n'est pas très efficace, mais c'était suffisant sur des processeurs assez anciens, qui pouvaient se contenter du radiateur au repos, mais devaient allumer le ventilateur quand on leur demandait plus de travail. L'inconvénient est que le confort acoustique est perfectible.

Les autres techniques qui vont suivre contrôlent plus finement la vitesse du ventilateur. Plus la température est importante, plus le ventilateur tourne vite, jusqu’à un certain point. Dans le détail, le microcontrôleur utilise une gestion des ventilateurs à deux seuils. Intuitivement, on sait que la vitesse du ventilateur augmente avec la température, jusqu'à atteindre une vitesse maximale. Mais il est aussi important d'imposer une vitesse minimale au ventilateur, même à de très basses températures. Les raisons à cela sont assez nombreuses, l'une d'entre elle est que cela permet un refroidissement minimal si la sonde de température dysfonctionne. Entre les deux seuils de température précédents, la vitesse augmente avec la température d'une manière relativement proportionnelle, linéaire.

Maintenant, on peut se demander comment commander la vitesse des ventilateurs. Les ventilateurs sont connectés à la carte mère via un connecteur, qui contient un fil pour la tension d'alimentation, un autre pour la masse, et un ou deux fils de contrôle. Le premier envoie au ventilateur une tension de commande qui indique à quelle vitesse il doit tourner. Le second, le fil de monitoring, indique à la carte mère à quel vitesse le ventilateur tourne. Sur le fil de monitoring, le ventilateur envoie un signal à une certaine fréquence, qui correspond à la fréquence de rotation du ventilateur.

Il y a plusieurs méthodes concernant la tension de commande. Avec la plus simple, la tension de commande est proportionnelle à la vitesse de rotation. Prenons par exemple un ventilateur pouvant tourner de 0 à 1000 RPM (rotations par minute). Si la tension de commande est de 5 volts, alors une tension de 0 volts donnera 0 RPM, la tension maximale de 5V donnera 1000 RPM, une tension de 2 volts donnera 400 RPM, une tension de 3 volts donnera 600 RPM, etc. Le problème est que contrôler finement une tension est quelque peu compliqué, car cela demande d'utiliser des circuits analogiques, qui sont complexes à fabriquer.

Une méthode plus utilisée actuellement est d'utiliser un signal modulé par PWM, un terme barbare dont la signification est pourtant assez simple. Le ventilateur est contrôlé par un signal d'horloge d'une fréquence de 25 KHz. Le moteur du ventilateur est allumé quand le signal d'horloge est à 1, éteint quand il est à 0. Avec l'inertie, le ventilateur continue à tourner quand le signal d'horloge est à 0 et il ralentit assez peu. Le ventilateur accélère quand le signal d'horloge est à 1, mais ralentit quand il est à 0. La vitesse instantanée du ventilateur fluctue donc lors d'une période, mais sa vitesse moyenne est bien définie.

Intuitivement, la signal d'horloge est à 1 la moitié du temps, à 0 l'autre moitié. La vitesse moyenne est donc la moitié de la vitesse maximale. Mais ce n'est pas le cas. L'idée est alors de trifouiller le signal d'horloge, en modulant la durée où il est à 1, mais sans changer la fréquence. En clair, on module le rapport cyclique (duty cycle), le pourcentage d'une période où le signal d'horloge est à 1. Plus le rapport cyclique est grand, plus le ventilateur tourne vite. Pour le dire en une phrase : la tension de commande est un signal d'une fréquence de 25 KHz, dont le rapport cyclique contrôle la vitesse du ventilateur.

Typiquement, le rapport cyclique va de 30% à 100%. A 100%, le ventilateur tourne en permanence, le signal d'horloge devient un signal constant, le ventilateur va a sa vitesse maximale. En-dessous de 30%, le comportement dépend fortement de la carte mère et du mécanisme de contrôle du ventilateur. Le ventilateur est généralement éteint, ou alors il ne peut pas tourner à moins de 30% de va vitesse maximale.

Les circuits de gestion de l'alimentation

Une partie importante de la carte mère est liée à l'alimentation électrique. Le sous-système d'alimentation reçoit de l'électricité de la part du connecteur d'alimentation, et génère les tensions demandées par le processeur, la mémoire, etc. Le sous-système d'alimentation est très complexe et comprend un mélange de composants analogiques, numériques, et d'autres purement électriques. Mais il est intéressant d'en parler. Ses fonctions sont très diverses : alimenter les composants avec les tensions adéquates, vérifier la stabilité de l'alimentation, détecter les problèmes de tension, gérer l'allumage et la mise en veille, etc. En cas de problème, il peut déclencher un reset hardware.

La génération des tensions pour chaque composant

Le processeur, la mémoire, et les différents circuits sur la carte mère, sont alimentés à travers celle-ci. Mais ils ont chacun besoin d'une tension bien précise, qui varie d'un composant à l'autre. Par exemple, la tension d'alimentation du processeur n'est pas celle de la mémoire RAM, qui n'est pas non plus celle du chipset. Il y a donc des composants qui transforment la tension fournie par l’alimentation en tensions adéquates.

La carte mère est alimentée par une tension de base, qui provient de la batterie sur un ordinateur portable/smartphone, du bloc d'alimentation pour un PC fixe ou serveur. Les PC fixes suivent le format ATX, qui précise que le bloc d'alimentation doit fournir trois tensions de base : une de 3,3V, une autre de 5V et une autre de 12V. Les tensions de base passe alors à travers un ou plusieurs régulateurs de tension, qui fournissent chacun une tension de sortie à la bonne valeur pour soit le processeur, soit la mémoire, soit un autre circuit.

Un régulateur de tension est un circuit qui a au moins trois broches : une entrée pour la tension de base, une sortie pour la tension voulue, et une troisième entrée qui ne nous intéresse pas ici. Il existe des régulateurs qui fournissent une tension de 3,3V, d'autres qui fournissent du 1V, d'autres du 0.5V, d'autres du 2V, etc. Chaque régulateur est conçu pour sortir une tension bien précise. On ne peut pas, en théorie, configurer un régulateur de tension pour choisir sa tension de sortie.

Les ordinateurs modernes utilisent des régulateurs de tension améliorés, appelés des modules de régulation de la tension. Dans ce qui suit, nous utiliserons l'abréviation VRM, pour Voltage Regulator Modules. Il s'agit de composants très complexes, avec de nombreuses fonctionnalités.

Une fonctionnalité importante des VRM est que l'on peut les activer ou les désactiver. Concrètement, cela permet d'allumer ou couper une tension électrique suivant les besoins. C'est utilisé lors de l'allumage de l'ordinateur, pour l'éteindre, le redémarrer, pour mettre certains composants en veille, etc. L'activation/désactivation d'un VRM se fait via une entrée de commande nommée Enable. Mettez un 1 sur cette entrée pour activer le VRM, un 0 pour le désactiver.

Il existe des smart VRM, qui implémentent de nombreuses fonctionnalités. Par exemple, il est possible de configurer la tension de sortie voulue parmi un choix de quelques tensions prédéterminées. Ce qui peut servir pour modifier la tension d'alimentation d'un composant à la volée, chose utile pour mettre un composant en veille. De plus, le VRM surveille en permanence sa température, la tension de sortie, le courant qui le traverse, et d'autres données importantes. Le microcontrôleur de surveillance peut accéder en temps réel à ces données, afin de détecter tout problème. Il peut ainsi détecter une défaillance de la tension de sortie du VRM, ou détecter qu'un VRM surchauffe. Pour résumer, les smart VRM peuvent être configurés et/ou surveillés.

Pour cela, le smart VRM communique avec l'extérieur par l'intermédiaire d'un bus dédié. Le bus en question est le bus Power Management Bus, une variante du bus System Management Bus (SMBus), qui lui-même est une variante du bus i²c. Il s'agit d'un bus très simple, qui demande juste deux fils pour connecter le VRM à l’extérieur. Les smart VRM sont généralement connectées au microcontroleur de surveillance, parfois aux chipset, parfois les deux.

La séquence d'allumage des VRM

Un point important est que chaque composant sur la carte mère utilise souvent plusieurs tensions d'alimentation. Par exemple, le processeur a souvent besoin de plusieurs tensions d'alimentation. Idem pour les cartes graphiques, qui demandent souvent d'avoir à leur disposition d'avoir plusieurs tensions distinctes.

Lors du démarrage, le composant requiert d'activer ces tensions dans un ordre bien précis. Expliquer pourquoi est compliqué, mais disons que sans cela, le composant le fonctionne tout simplement pas. Il y a donc un ordre d'allumage des tensions, décrit par une séquence d’amorçage des VRM. Et la même chose a lieu lors de la mise en veille : il faut désactiver les VRMs dans le bon ordre, souvent l'ordre inverse du démarrage. La sortie de mise en veille demande de faire comme lors de l’allumage, à quelques détails près.

L'ordre en question est géré via une fonctionnalité importante des VRM : on peut les activer ou les désactiver à la demande. Pour cela, ils disposent d'une entrée de commande qui active ou désactive le régulateur de tension. Si on envoie un 1 sur cette entrée, le VRM s'active. A l'inverse, un 0 sur cette entrée désactive le VRM. L'activation des tensions est le rôle d'un circuit spécialisé relié à chaque VRM, il a une sortie dédiée à chaque VRM, sur laquelle il envoie un 0 ou un 1 pour l'activer au besoin. Nous l’appellerons le sequencing chip. Il s'agit parfois d'un circuit dédié, mais il est souvent intégré directement dans le microcontrôleur de surveillance hardware.

Mais vous vous posez sans doute la question suivante : comment est alimenté le microcontrôleur de surveillance ? La réponse est que le microcontrôleur est relié à une tension de 3,3V qui est toujours active, qui provient du connecteur d'alimentation. Dès que vous branchez votre PC sur secteur, le 3,3 volts va alimenter le microcontrôleur de surveillance. Même si vous laissez votre ordinateur éteint, le microcontrôleur de surveillance est actif tant que le secteur est branché. Par contre, dès que vous appuyez sur le bouton d'alimentation, le microcontrôleur de surveillance démarre la séquence d’amorçage des VRM. D'ailleurs, le microcontrôleur de surveillance est directement connecté au bouton d'alimentation, il lui réserve une entrée dédiée.

Alimentation du microcontroleur de surveillance et liaison aux VRM

Il faut noter que le microcontrôleur de surveillance n'est pas le seul alimenté ainsi. En réalité, une partie du chipset de la carte mère et quelques circuits annexes le sont aussi. Mais nous verrons cela plus tard.

La stabilité de l'alimentation au démarrage

Lors d'un démarrage ou d'un redémarrage, le processeur est allumé par un signal RESET. Il y a une petite différence entre l'allumage et le redémarrage, qui tient dans la manière dont la tension d'alimentation et l'horloge sont gérées. Lors d'un reset hardware, le processeur reste alimenté, il n'est pas coupé. Il réinitialise ses registres, remet à zéro pas mal de circuits, mais l'alimentation reste maintenue. Lors du démarrage, ce n'est pas le cas : l'alimentation est allumée, la tension d'alimentation passe de 0 à 12 ou 5 volts. Au passage, si vous débranchez votre ordinateur avant de le rebrancher, ce n'est pas un reset hardware, car vous éteignez l'ordinateur avant de le relancer. L'alimentation est coupée entre-temps.

Lors du démarrage, avant de générer un signal RESET, il faut attendre que la tension d'alimentation se stabilise, de même que le signal d'horloge. Si les tensions d'alimentation ne marchent pas comme prévu, le démarrage n'a pas lieu pour éviter d'endommager le processeur, idem pour le signal d'horloge. Pour cela, la carte mère contient deux circuits séparés. Le Power-on reset, temporise en attendant que la tension d'alimentation se stabilise.

Le Power-on reset vérifie les tensions 12 V, 5 V et 3,3 V, et n'autorise le RESET du processeur que si celles-ci sont stables et à la bonne valeur. Pour cela, il est relié au microcontrôleur de surveillance, sur une entrée de ce dernier. Le microcontrôleur de surveillance ne démarre la séquence d'allumage des VRM que s'il reçoit le signal POR. Ainsi que d'autres signaux, comme celui de l'oscillator startup timer.

Les défaillances de l'alimentation

Une fois l'ordinateur allumé, le processeur fonctionne. On s'attend à ce que la tension et la fréquence soient stables, mais il est parfaitement possible que la tension soit soudainement déstabilisée, par exemple lorsqu'on débranche la prise, une coupure de courant, un problème matériel avec les régulateurs de tension, des condensateurs de la carte mère qui fondent, etc.

Un circuit appelé le Low-voltage detect surveille en permanence la tension d'alimentation, pour détecter de telles défaillances et générer un arrêt d'urgence. Il est souvent fusionné avec le Power-on reset en un seul circuit. Rien d'étonnant à cela : les deux sont reliés à la tension d'alimentation et vérifient sa stabilité. Typiquement, le Low-voltage detect permet de détecter si la tension d'alimentation descend sous un seuil pendant un certain temps, typiquement sous 2-3 volts pendant quelques centaines de millisecondes.

Le Low-voltage detect est implémenté différemment entre un PC moderne et les cartes mères hors-PC. Sur PC, c'est rarement un circuit à part, il est intégré dans le microcontrôleur de surveillance. Et c'est encore plus vrai si la carte mère utilise des smart VRM. Il suffit alors de connecter des smart VRM au microcontrôleur de surveillance, via un bus PMBUS, pour que celui-ci puisse vérifier les tensions de chaque VRM en temps réel. Mais sur les cartes mères hors PC, le Low-voltage detect est souvent un circuit à part. Il faut dire qu'elles n'incorporent pas forcément de microcontrôleur de surveillance, ni de smart VRM, car leur système d'alimentation est beaucoup plus simple. Aussi, un circuit spécialisé est utilisé à la place.

La gestion d'une défaillance de l'alimentation est aussi gérée différemment entre un PC et un microcontrôleur. La raison est qu'un PC peut fonctionner durant quelques millisecondes, grâce à la présence de condensateurs sur la carte mère. Ils maintiennent la tension d'alimentation pendant quelques millisecondes, ce qui lui laisse le temps de faire quelques sauvegardes mineures et d'éteindre l'ordinateur proprement. Un arrêt d'urgence avec l'entrée NMI est donc acceptable, si les condensateurs sont dimensionnés pour.

Par contre, les microcontrôleurs ne sont pas dans ce cas-là, surtout dans les systèmes alimentés sur batterie. Là, le problème n'est pas tellement une coupure soudaine de l'alimentation, mais une baisse progressive de la tension, au fur et à mesure que la batterie se vide. Typiquement, si la batterie se vide progressivement, il arrive un moment où la tension chute trop bas, et reste basse tant que la batterie n'est pas rechargée. Dans ce cas, le processeur n'est pas éteint, mais maintenu en état de RESET tant que la tension est trop faible. Dès que la tension remonte, le processeur redémarre. On parle alors de brown-out reset.

Les domaines de puissance et le standby domain

Le microcontrôleur de surveillance est alimenté par une tension d'alimentation dite de standby, qui est présente dès que l'ordinateur est branché au secteur, même éteint. Et c'est aussi le cas d'une partie du chipset, du contrôleur USB et du contrôleur Ethernet. Ils sont tous partiellement alimentés même ordinateur éteint. C'est grâce à ça qu'un ordinateur peut être allumé via le réseau. L'ensemble des composants alimentés même ordinateur éteint est appelé le Stand By Domain.

Le Standby Domain s'oppose aux circuits qui ne sont allumés qu'une fois qu'on a démarré l'ordinateur. Il est parfois appelé le Wakeup Domain. Mais ce dernier n'est pas uniforme. En réalité, il est lui-même séparé en plusieurs domaines de puissance, chacun relié à un VRM et alimenté par une tension d'alimentation précise. Par exemple, la mémoire RAM n'est pas alimentée par le même VRM que le processeur. Il est ainsi possible d'éteindre le processeur tout en maintenant la RAM allumée. C'est d'ailleurs ce qui est fait lors de la mise en veille normale de l'ordinateur : le CPU est éteint, mais la RAM continue à être alimentée pour ne pas perdre ses données.

Outre le chipset et le microcontroleur de surveillance, le Standby Domain contient des tas de bus spécialisés dans la gestion thermique ou la gestion de l'alimentation. Ils sont reliés au microcontroleur de surveillance, à la glue logic et au chipset, ainsi qu'aux VRM, aux ventilateurs, aux sondes de température, etc. Nous avons mentionné le bus PECI d'Intel qui permet au microcontrôleur de surveillance et au chipset de lire la température du processeur. Mais ce n'est pas le seul.

L'un des tout premier bus utilisé dans cet optique était le bus SMBUS, pour System Management Bus, dont l'objectif initial était d'interconnecter un grand nombre de composants peu rapides, soudés à la carte mère. Il est assez spécialisé dans la gestion thermique et de l’alimentation, mais est aussi utilisé pour gérer les LEDs RGB et quelques autres fonctionnalités dans le genre. Le PMBUS est utilisé pour commander les smart VRM est une version améliorée de ce SMBUS.

Les Power States

Pour rappel, un ordinateur peut être dans plusieurs états de fonctionnement : en veille, allumé, éteint. Dans chaque état, certains composants sont allumés, d'autres éteints. Dans le détail, ces états de fonctionnement sont appelés des Power State. Sur les processeurs x86, ils sont normalisés par la norme ACPI. Elle définit plusieurs Power State distincts.

S0 : ordinateur allumé, en fonctionnement ;
S0 amélioré, facultatif : forme spécifique de veille ;
S1, S2, S3 : veille normale ;
S4 : veille prolongée ;
S5 Standby : secteur branché, ordinateur éteint ;
G3 Mechanical OFF : sécteur débranché.

En mode G3, le secteur est débranché, rien n'est alimenté. En mode S5, le standby domain est alimenté, pas le reste. En mode S0, tout est alimenté, ou presque.

Les modes S1, S2 et S3 sont aussi appelés la veille suspend to RAM, le nom est assez transparent. La RAM est alimentée, mais pas le processeur. Le standby domain est alimenté et c'est pour ça qu'un ordinateur en veille se réveille quand on appuie sur une touche du clavier. Les trois ne sont pas équivalents, mais les différences sont mineures, au point que seul le S3 est réellement utilisé de nos jours.

Le mode S4 veille prolongée est aussi appelé le mode suspend to disk. Avec lui, l'ordinateur est quasiment éteint, même la RAM est désactivée. La RAM de l'ordinateur est recopiée dans un fichier sur le disque dur, pour être restauré en RAM lors de la sortie de mise en veille. Évidemment, la sauvegarde de la RAM sur le disque dur est assez lente, ce qui fait que la mise en veille n'est pas immédiate. Si les premières implémentations utilisaient le BIOS, ce n'est plus le cas. Il peut en théorie être implémenté en logiciel, mais il est géré en partie par le système d'exploitation et le matériel, que ce soit sur Linux et Windows. Tant que le matériel est intégralement compatible avec la norme ACPI, la mise en hibernation est possible.

Les transitions entre ces différents états/power state, sont illustrées ci-dessous. Elles sont gérées en coopération par le processeur, le chipset et le microcontroleur de périphérique. Lors de la mise en veille, le processeur sauvegarde son état de manière à reprendre là où il en était. Puis, il prévient le microcontrôleur de surveillance et le chipset pour prévenir que l'ordinateur peut être mis en veille. Là, les tensions d'alimentation du CPU sont coupées. Lors de la sortie de veille, les tensions sont rallumées par le microcontrôleur de surveillance, puis un signal RESET est émis.

Il faut noter que chaque périphérique peut aussi avoir des power state similaires. Par exemple, un SSD peut avoir un mode basse consommation, qui est utilisé si le SSD n'est pas utilisé mais que l'ordinateur est allumé. Typiquement, les composants/périphériques disposent de quatre états : un mode éteint, un mode veille, un mode basse consommation et un mode fonctionnement normal. Le composant peut être mis en veille, où il consomme un petit peu mais est plus rapide à réactiver qu'un SSD éteint. Il peut aussi fonctionner en mode basse consommation, où les performances sont un peu diminuées et certaines fonctionnalités ne sont pas disponibles.

La gestion logicielle des Power States et de l'économie d'énergie

Autrefois, la transition entre ces états était gérée par le microcontrôleur de surveillance, qui répondait aux boutons ON/OFF et celui de mise en veille s'il existait. Mais le logiciel ne pouvait pas éteindre l'ordinateur de lui-même, encore moins le mettre en veille. A vrai dire, la mise en veille normale n'existait pas forcément, seule la mise en veille prolongée existait et était gérée purement en logiciel. Il existait des mises en veille basiques, qui se résumaient à éteindre l'écran et le disque dur, mais le CPU fonctionnait normalement, sa fréquence n'était pas stoppée ni réduite. LA gestion des power state des périphériques n'était pas gérée du tout.

L'apparition du standard APM (Advanced Power Management) a permis au logiciel de gérer les power state, mais aussi d'autres fonctionnalités d'économie d'énergie. Le BIOS gérait tout ce qui avait trait à la consommation d'énergie, il était au centre du standard. Il pouvait désactiver des périphériques, les mettre en veille de manière sélective, les mettre en état basse consommation, etc. Le logiciel pouvait envoyer des ordres au BIOS pour cela, en passant par l'intermédiaire d'in pilote de périphérique dédié, appelé driver APM. Le standard définissait comment le BIOS et le logiciel devaient communiquer entre eux.

De nos jours, le standard APM a été remplacé par le standard ACPI (Advanced Configuration and Power Interface). Ce standard ne gère pas que l'économie d'énergie, mais aussi des fonctionnalités comme la découverte du matériel (détecter le matériel installé dans le PC au démarrage). Il ne se base plus du tout sur le BIOS, contrairement au format APM, mais laisse le système d'exploitation gérer la consommation énergétique du PC.

Au passage, les temps de mise en veille sont gérés par des timers dédiés, appelés timers d'inactivité. Vous savez sans doute qu'il est possible de gérer combien de temps doit d'écouler avant d'éteindre l'écran, de mettre l'ordinateur en veille. Hé bien ces temps sont gérés par des timers dédiés, faisant partie de la norme ACPI. Dès que Windows détecte un ordinateur inactif, il initialise le timer avec la durée configurée et laisse le timer faire son travail. Le timer est réinitialisé en cas d'activité. Si le timer déborde, il génère un signal dit d'interruption à destination du processeur, qui réagit immédiatement et met en veille l'ordinateur.

La glue logic et les circuits annexes

Pour résumer, une carte mère intègre de nombreux circuits très différents. Mais avec la loi de Moore, de nombreux circuits distincts ont pu être fusionnés en un seul circuit. Par exemple, le chipset regroupe de nombreux circuits autrefois distincts, mais nous détaillerons cela dans le chapitre sur les contrôleurs de périphériques. De même, le microcontrôleur de surveillance a beaucoup de fonctions différentes : la gestion de l'alimentation au sens large, la gestion thermique, et bien d'autres que nous n'avons pas encore abordées. Et toutes ces fonctions étaient autrefois le fait de plusieurs circuits séparés.

Une carte mère contient donc deux composants principaux : le microcontroleur de surveillance et le chipset. Et à cela il faut ajouter tous les bus électroniques, qui relient le chipset, le microcontroleur de surveillance, les connecteurs, le processeur, la RAM, le disque dur, les ports PCI-Express, et tout ce qui est sur la carte mère. Mais à tout cela, il faut ajouter un dernier composant : la glue logic.

La glue logic regroupe tout le reste, à l'exception de composants analogiques/électriques comme des condensateurs de découplage et autres. Il s'agit d'un ensemble de circuits qui n'a pas de fonction précise et dépend fortement de la carte mère. Formellement, son rôle est de servir à coller ensemble des circuits séparés. La carte mère contient un chipset, le µcontroleur de surveillance, le CPU, la RAM, et d'autres composants qui sont fabriqués séparément, et qui doivent être "collés ensemble" pour obtenir la carte mère finale. La glue logic s'occupe de ce collage, de cet interfaçage.

Elle s'occupe majoritairement de la gestion thermique et des tensions, mais pour des fonctions qui ne sont pas prises en charge par le chipset ou le µcontroleur. Mais ce n'est pas sa seule fonction. Il est difficile de faire des généralités sur la glue logic, car elle varie énormément d'une carte mère à l'autre. Elle est souvent implémentée avec des FPGA, sur les carte mères actuelles. Mais les anciennes cartes mères utilisaient des composants séparés. La glue logic prenait donc beaucoup de place, ce qui n'est plus trop le cas maintenant.

Les chips de sécurité

Depuis la décennie 2010, les cartes mères incorporent des chips spécialisés dans la sécurité informatique. Vous avez peut-être entendu parler des puces TPM, rendues nécessaires pour passer à Windows 11, de l'Intel Management Engine, ou de son équivalent chez AMD. De telles puces ont une utilité mal compris par le grand public, et souvent décriée pour, paradoxalement, des raisons de sécurité. Quelques-uns les ont accusées de contenir des backdoors.

Le Trusted Platform Module

Le Trusted Platform Module, ou TPM, est ce qui s'appelle un processeur cryptographique sécurisé. Concrètement, il s'agit d'un circuit spécialisé dans tout ce qui est chiffrement. Il a deux rôles principaux : générer et stocker des clés de chiffrement.

Il peut par exemple générer des nombres aléatoires, des clés RSA, etc. En théorie, un processeur cryptographique peut aussi servir d'accélérateur cryptographique, à savoir que le processeur CPU lui délègue les calculs cryptographiques. Il peut alors exécuter des fonctions de hachage cryptographiques comme SHA-1, etc. Disons qu'il peut être utilisé dès qu'il faut crypter ou décrypter des données

Il peut aussi mémoriser certaines clés cryptographiques du système, de manière persistante, dans une mémoire EEPROM/FLASH dédiée, intégrée au TPM. Elles ne sont alors accessibles ni par le système d'exploitation, ni par l'utilisateur, ni par qui ou quoi que ce soit d'autres que le TPM.

Outre le stockage des clés à l'intérieur du TPM, le TPM peut protéger une portion de la mémoire RAM afin d'y stocker des clés de cryptage/décryptage importantes. La portion de mémoire est appelée une enclave mémoire sécurisée. Elle est accessible uniquement par le TPM, mais est inaccessible par l'OS ou l'utilisateur, ou alors seulement partiellement accessible. Cela permet de sécuriser certaines clés cryptographiques pendant qu'elles sont utilisées.

Les utilisations principales sont les trois suivantes le chiffrement des disques durs, la sécurité lors du démarrage et les DRMs. Le TPM sert en premier lieu pour encrypter les disques durs avec Bitlocker sous Windows ou son équivalent sous Linux/mac. Les clés utilisées pour crypter et décrypter un disque dur encrypté sont stockées dans le TPM et sont aussi utilisées à travers une enclave matérielle. Une utilisation plus controversée est celle des techniques de Secure Boot, qui vise à protéger l’ordinateur dès le démarrage, pour stopper net les malwares qui infectent le BIOS ou les secteurs de boot.

Mais le TPM peut aussi être utilisé pour implémenter le trusted computing, un ensemble de techniques qui visent à identifier un ordinateur. Par identifier, on veut dire que le trusted computing attribue une identité à chaque ordinateur, afin de l'identifier parmi tous les autres. L'intention est d'implémenter des techniques permettant de ne décrypter des données que sur des ordinateurs bien précis et pas ailleurs. Le trusted computing fournit aussi des procédés afin d'éviter toute usurpation d'identité entre ordinateurs. Le tout se fait par des procédés matériels auxquels qu'aucun logiciel ne peut altérer, pas même le système d'exploitation, et pas même l'utilisateur lui-même (d'où certaines controverses). Elles servent surtout à gérer les DRM, des protections logicielles qui visent à empêcher le piratage de musique, jeux vidéos, films et autres.

Les techniques en question attribuent au matériel une clé de sécurité inconnue de l'OS et de l'utilisateur. A sa création, chaque puce TPM se voit attribuer une clé de sécurité RSA de 2048 bits, qu'il est impossible de changer, et qui est différente d'une puce à l'autre. Avant de poursuivre, rappelons la différence entre clé privée et publique. L'algorithme RSA permet à deux entités de communiquer entre elles en s'échangeant des messages cryptés. Les messages sont encryptés avec une clé publique et décryptés avec une clé privée. La clé dont il est question pour le TPM est une clé privée. Elle permet d'identifier l'ordinateur de manière unique, ce qui sert pour les DRM ou pour authentifier l'ordinateur pour un quelconque login.

Parmi les fonctionnalités du trusted computing, voici quelques exemples. La technique de Sealed storage permet de lire des données encryptées uniquement sur une machine particulière. Les données sont encryptées par le TPM, qui ajoute des informations sur la configuration dans la clé de cryptage, dont sa clé TPM. La technique est utilisée pour les DRM. La technique de Remote attestation permet à un autre ordinateur d'être au courant des modifications effectuées sur l'ordinateur considéré.

Le TPM est parfois une puce placée sur la carte mère, mais ce n'est pas le cas sur les PC commerciaux. A la place, le TPM est soit intégré au chipset, soit intégré au processeur. Il en sera de même pour les circuits de sécurité que nous allons voir par la suite, qui font partie du CPU ou du chipset.

Le Management Engine d'Intel et l'AMD Platform Security Processor

LIntel Management Engine (ME) et lAMD Platform Security Processor (PSP) sont des microcontrôleurs intégrés au chipset de la carte mère. Il a accès à tout le matériel de l'ordinateur, d'où sa place dans le chipset. Ils sont actifs en permanence, même si l'ordinateur est éteint, ce qui fait qu'ils sont dans le standby domain. Ils ont des fonctions très diverses, mais ils s'occupent de l'initialisation du chipset et du démarrage de l'ordinateur, de l'initialisation des périphériques, mais aussi de fonctionnalités de sécurité.

En premier lieu, il agit comme un processeur cryptographique sécurisé, à savoir qu'il incorpore des accélérateurs cryptographiques (des circuits de calcul capables de crypter/décrypter des données avec des algorithmes comme AES, RSA, autres). Chez Intel, le tout est appelé l'OCS (Offload and Cryptography Subsystem), et est couplé à un système de stockage sécurisé de clés, ainsi qu'un contrôleur DMA (un circuit qui sert pour les échanges entre OCS et mémoire RAM). Le TPM vu précédemment est souvent intégré dans le ME/PSP. Il gère aussi d'autres fonctionnalités, comme des protections lors du démarrage de l’ordinateur, comme le secure boot, ou l'Intel® Boot Guard. Des DRM gérés en hardware sont aussi disponibles.

L'Intel ME était initialement basé sur un processeur ARC core et utilisait le système d'exploitation temps réel ThreadX. De nos jours, depuis la version 11 du ME, il utilise un processeur Intel Quark 32 bits et fait tourner le système d'exploitation MINIX 3. Il est possible pour le processeur principal (CPU) de communiquer avec le ME, via la technologie Host Embedded Controller Interface (HECI). Mais la communication est surtout utilisée pour la gestion thermique et d'alimentation.

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