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

Tout ordinateur contient au minimum un bus, qui sert à connecter processeur, mémoire et entrées-sorties. Mais c'est là le cas le plus simple : rien n’empêche un ordinateur d'avoir plusieurs bus. c'est le cas sur les architectures Harvard, qui ont un bus séparé pour la mémoire RAM et la mémoire ROM. Comme autre possibilité, on pourrait avoir un bus entre processeur et mémoires, et un autre bus qui connecte le processeur aux entrées-sorties. Bref, les possibiliés sont multiples. Dans un ordinateur de type PC, les composants sont placés sur un circuit imprimé (la carte mère), sur lequel on vient connecter les différents composants d'un ordinateur et qui les relie via divers bus. Si je dis "par divers bus", c'est parce qu'il n'y a pas qu'un seul bus dans un ordinateur, mais plusieurs : un bus pour communiquer avec le disque dur, un bus pour la carte graphique, un pour le processeur, un pour la mémoire, etc. De ce fait, un PC moderne contient un nombre impressionnant de bus, jugez plutôt :

• les bus USB ;
• le bus PCI Express, utilisé pour communiquer avec des cartes graphiques ou des cartes son ;
• le bus S-ATA et ses variantes eSATA, eSATAp, ATAoE, utilisés pour communiquer avec le disque dur ;
• le bus Low Pin Count, qui permet d'accéder au clavier, aux souris, au lecteur de disquette, et aux ports parallèle et série ;
• le SMBUS, qui est utilisé pour communiquer avec les ventilateurs, les sondes de température et les sondes de tension présentes un peu partout dans notre ordinateur ;
• l'Intel QuickPath Interconnect et l'HyperTransport, qui relient les processeurs récents au reste de l'ordinateur ;

Et c'est oublier tous les bus aujourd'hui défunts, mais qui étaient utilisés sur les anciens PC. Comme exemples, on pourrait citer :

• le bus ISA et le bus PCI (l'ancêtre du PCI Express), autrefois utilisés pour les cartes d'extension ;
• le bus AGP, autrefois utilisé pour les cartes graphiques ;
• les bus P-ATA et SCSI, pour les disque durs ;
• le bus MIDI, qui servait pour les cartes son ;
• le fameux RS-232 utilisé dans les ports série ;
• enfin, le bus IEEE-1284 utilisé pour le port parallèle.

Et à ces bus reliés aux périphériques, il faudrait rajouter le bus mémoire qui connecte processeur et mémoire, le bus système et bien d'autres. La longue liste précédente sous-entend qu'il existe de nombreuses différences entre les bus. Et c'est le cas : ces différents bus sont très différents les uns des autres.

Les bus dédiés et multiplexés

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

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

Les liaisons point à point (bus dédiés)

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

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

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

Liaison simplex	Liaison half-duplex	Liaison full-duplex

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

Les bus multiplexés

Les liaisons point à point, ou bus dédiés, sont à opposer aux bus proprement dit, aussi appelés bus multiplexés. Ces derniers ne sont pas limités à deux composants et peuvent interconnecter un grand nombre de circuits électroniques. Par exemple, un bus peut interconnecter la mémoire RAM, le processeur et quelques entrées-sorties entre eux. Et cela fait qu'il existe quelques différences entre un bus et une liaison point à point.

Bus

Avec un bus, l'émetteur envoie ses données à tous les autres composants reliés aux bus, à tous les récepteurs. Sur tous ces récepteurs, il se peut que seul l'un d'entre eux soit le destinataire de la donnée : les autres vont alors l'ignorer, seul le destinataire la traite. Cependant, il se peut qu'il y ait plusieurs récepteurs comme destinataires : dans ce cas, les destinataires vont tous recevoir la donnée et la traiter. Les bus permettent donc de faire des envois de données à plusieurs composants en une seule fois.

Bus multiplexés.

La fréquence du bus et son caractère synchrone/asynchrone

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

Les bus synchrones

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

Exemple de lecture sur un bus synchrone.

Les bus asynchrones

Une minorité de bus se passent complètement de signal d'horloge, et ont un protocole conçu pour : ce sont les bus asynchrones. Les bus asynchrones utilisent des protocoles de communication spécialisés. Les bus asynchrones permettent à deux circuits/composants de se synchroniser, l'un des deux étant un émetteur, l'autre étant un récepteur. Pour se synchroniser, l’émetteur indique au récepteur qu'il lui a envoyé une donnée, généralement grâce à un bit dédié sur le bus, souvent appelé le bit REQ. Le récepteur réceptionne alors la donnée et indique qu'il a pris en compte les données envoyées en envoyant un bit ACK. Cette synchronisation se fait grâce à des fils spécialisés du bus de commande, qui transmettent des bits particuliers.

Exemple d'écriture sur un bus asynchrone

De tels bus sont donc très adaptés pour transmettre des informations sur de longues distances (plusieurs centimètres ou plus). La raison est qu'à haute fréquence, le signal d'horloge met un certain temps pour se propager à travers le fil d'horloge, ce qui induit un léger décalage entre les composants. Plus on augmente la longueur des fils, plus ces décalages deviendront ennuyeux. Plus on augmente la fréquence, plus la période est dominée par le temps de propagation de l'horloge dans le fil. Les bus asynchrones n'ont pas ce genre de problèmes.

La largeur du bus

Comparaison entre bus série et parallèle.

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

Les bus série

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

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

Interface de conversion série-parallèle (UART).

Les bus parallèles

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

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