Fonctionnement d'un ordinateur/Les périphériques et les cartes d'extension

Dans ce chapitre, nous allons étudier les périphériques et les cartes d'extension. Pour rappel, les cartes d'extension sont les composants qui se connectent sur la carte mère via un connecteur, comme les cartes sont ou les cartes graphiques. Quant aux périphériques, ce sont les composants connectés sur l'unité centrale.

De nos jours, les cartes d'extension se font de plus en plus rares. Il y a quelques décennies, tout ordinateur avait une carte son, une carte réseau, une carte graphique, et éventuellement d'autres cartes d'extension. Mais de nos jours, avec les progrés de la miniaturisation, ce n'est plus le cas. La carte son et la carte réseau sont souvent intégrées directement à la carte mère, la carte graphique est intégrée directement dans le processeur. Bref, elles n'existent plus sous forme de cartes d'extension, comme c'était le cas à une époque, la seule exception étant les cartes graphiques à haute performances.

Il n'en reste pas moins que ces circuits sont conçus d'une manière assez spécifique et qu'il est intéressant de les étudier à part. Nous regroupons ces cartes d'extension avec les périphériques, car les deux ont en commun d'être des entrées-sorties assez particulières, qui doivent communiquer avec le reste de la carte mère via une interface dédiée.

Le clavier

Le clavier communique avec l'ordinateur dans les deux sens, contrairement à ce qu'on pourrait penser. Le premier sens est la transmission du clavier vers l'ordinateur : le clavier indique à notre ordinateur si une touche a été appuyée et laquelle. La transmission de l'ordinateur vers le clavier sert à configurer les diodes du clavier. Pour mieux comprendre, regardez votre clavier, près du clavier numérique. Vous verrez normalement trois diodes vertes : une pour indiquer si le verrouillage numérique est actif ou non, une autre pour le verrouillage majuscule et une autre pour l'arrêt défil. Et bien c'est l'ordinateur qui configure ces trois diodes, ce n'est pas fait à l'intérieur du clavier ! Un bon moyen de s'en rendre compte est de regarder ce qui se passe quand l'ordinateur plante et se fige : les trois diodes se figent elles aussi. La communication de l'ordinateur vers le clavier ne se limite pas à cela, c'est juste sa conséquence la plus visible. L'ordinateur peut envoyer d'autres informations de configuration au clavier, mais mettons cela de côté.

Pour indiquer quelle touche a été appuyée, le clavier envoie ce qu'on appelle un scancode à l'ordinateur. Ce scancode est un numéro et chaque touche du clavier se voit attribuer un scancode bien particulier, le même sur tous les claviers. Les scancodes des différentes touches sont standardisés, et il existe plusieurs standards de scancodes. Les tout premiers PC utilisaient un jeu de scancode différent de celui utilisé actuellement. Le jeu de scancode utilisé s’appelait le jeu de scancode XT. Le scancode est, sauf exception, un octet dont les 7 bits de poids faible identifient la touche, et le bit de poids fort indique si la touche a été appuyée ou relâchée. De nos jours, les claviers utilisent le jeu de scancode AT s'ils sont relié au PC via le port PS/2. Avec ce jeu de scancode, les numéros des touches sont modifiés. Le relâchement d'une touche est indiqué différemment : avec les scancodes AT, il faut ajouter un octet d'une valeur 0xF0 devant le numéro de la touche. Sans ce préfixe, on considère que la touche a été appuyée.

L'intérieur d'un clavier à petit nombre de touches

À l'intérieur d'un clavier, on trouve un circuit relié aux touches par des fils électriques, qui se charge de convertir l'appui d'une touche en scancode. Naïvement, on pourrait penser que ce contrôleur est relié à chaque touche, mais ce genre d'organisation n'est utilisable que pour de tout petits claviers. Sur les claviers avec un faible nombre de touches, toutes les touches sont reliées à un encodeur combinatoire, ce qui suffit largement pour obtenir un clavier fonctionnel.

Exemple de clavier simple, qui utilise un encodeur combinatoire.

L'intérieur d'un clavier à grand nombre de touches

Avec un clavier à 102 touches, la technique précédente ne fonctionne pas si bien : il nous faudrait utiliser 102 fils, ce qui serait difficile à mettre en œuvre. En fait, les touches sont reliées à des fils électriques, organisés en lignes et en colonnes, avec une touche du clavier à chaque intersection ligne/colonne. Pour simplifier, les touches agissent comme des interrupteurs : elles se comportent comme un interrupteur fermé quand elles sont appuyées, et comme un interrupteur ouvert quand elles sont relâchées.

Matrice clavier

Cette matrice est reliée à un circuit qui déduit les touches appuyées à partir de cette matrice de touches : le Keyboard Encoder. Ce circuit peut aussi bien être un circuit combinatoire, un circuit séquentiel fait sur mesure (rare), ou un microcontrôleur. Dans les premiers claviers de PC, l'encodeur clavier était un microcontrôleur Intel 8048. Les claviers actuels utilisent des microcontrôleurs similaires.

Matrice clavier + controleur

Le fonctionnement des claviers à grand nombre de touches

Pour savoir quelles sont les touches appuyées, ce micro-contrôleur va balayer les colonnes unes par unes, et regarder le résultat sur les lignes. Plus précisément, notre circuit va envoyer une tension sur la colonne à tester. Si une touche est enfoncée, elle connectera la ligne à la colonne, et on trouvera une tension sur la ligne en question. Cette tension est alors interprété comme étant un bit, qui vaut 1. Si la touche à l'intersection entre ligne et colonne n'est pas enfoncée, la ligne sera déconnectée. Grâce à un petit circuit (des résistances de rappels au zéro volt intégrée dans le micro-contrôleur), cette déconnexion de la ligne et de la colonne est interprétée comme un zéro. Le microcontrôleur récupère alors le contenu des différentes lignes dans un octet. À partir de cet octet, il accède à une table stockée dans sa mémoire ROM, et récupère le scancode correspondant. Ce scancode est alors envoyé dans un registre à décalage, et est envoyé sur la liaison qui relie clavier et PC.

Gestion matrice clavier

Le phénomène de Ghosting et sa mitigation

Cette organisation a tout de même un léger problème, qui se manifeste quand trois touches ou plus sont appuyées. Dans une telle situation, il se peut que le courant passe à travers les interrupteurs des touches et active des lignes qui ne devraient pas l'être. Pour donner un exemple, prenons la configuration suivante :

Ghosting - 1

Les problèmes surviennent quand le contrôleur active la troisième colonne. L'appui de la touche de droite active la colonne et la ligne sur laquelle elle se situe. L'appui de la touche immédiatement à gauche permet au courant sur la ligne de traverser la colonne. La touche en-dessous permet au courant de traverser la ligne elle aussi. Le résultat est que le résultat envoyé sur les ports de l'encodeur donnent l'illusion de l'appui d'une touche qui n'est pas appuyée, ici celle située sous la touche de droite.

Ghosting - 2

Une solution pour limiter ce phénomène de ghosting est de coupler chaque touche avec une diode, qui empêche le courant de passer dans les lignes ou colonnes qui ne devraient pas être activées.

Diode - ghosting

La souris

Mécanisme interne d'une souris à boule.

Les anciennes souris fonctionnaient avec une boule, en contact avec la surface/le tapis de souris, que le mouvement de la souris faisait rouler sur elle-même. Ce mouvement de rotation de la boule était capté par deux capteurs, un pour les déplacements sur l'axe gauche-droite, et un pour l'axe haut-bas.

Les souris plus récentes contiennent une source de lumière, qui éclaire la surface sur laquelle est posée la souris (le tapis de souris). Cette source de lumière peut être une diode ou un laser, suivant la souris : on parle de souris optique si c'est une diode, et de souris laser si c'est un laser. Avec la source de lumière, on trouve une caméra qui photographie le tapis de souris intervalles réguliers, pour détecter tout mouvement de souris. Le tapis de souris n'est pas une surface parfaite, et contient des aspérités et des irrégularités à l'échelle microscopique. Quand on bouge la souris, les images successives prises par la caméra ne seront donc pas exactement les mêmes, mais seront en partie décalées à cause du mouvement de la souris. La caméra est reliée à un circuit qui détecte cette différence, et calcule le déplacement en question. Précisément, elle vérifie de combien l'image a bougé en vertical et en horizontal entre deux photographies de la surface.

La sensibilité de la souris

Le déplacement mesuré par le capteur est envoyé à l'ordinateur. Ce qui est envoyé est le nombre de pixels de différence entre deux images de caméra, en horizontal et en vertical. Le système d'exploitation va alors multiplier ce déplacement par un coefficient multiplicateur, la sensibilité souris, ce qui donne le déplacement du curseur sur l'écran en nombre de pixels). Plus celle-ci est faible, meilleure sera la précision.

Les OS actuels utilisent l'accélération souris, à savoir que la sensibilité est variable suivant le déplacement, le calcul du déplacement du curseur étant une fonction non-linéaire du déplacement de la souris. Sur les anciens OS Windows, la sensibilité augmentait par paliers : un déplacement souris faible donnait une sensibilité faible, alors qu'une sensibilité haute était utilisée pour les déplacements plus importants. Cette accélération souris est désactivable, mais cette désactivation n'est conseillée que pour jouer à des jeux vidéos, l'accélération étant utile sur le bureau et dans les autres interfaces graphiques. Elle permet en effet plus de précision lors des mouvements lents (vu que la sensibilité est faible), tout en permettant des mouvements de curseurs rapides quand la souris se déplace vite.

Les performance de la souris

Plus la résolution de la caméra de la souris est élevée, plus celle-ci a tendance à être précise. Cette résolution de la caméra de la souris est mesurée en DPI, Dot Per Inche. Il s'agit du nombre de pixels que la caméra utilise pour capturer une distance de 1 pouce (2,54 cm). Il va de soit que plus le DPI est élevé, plus la souris sera sensible. Pour un même déplacement de souris et à sensibilité souris égale, une souris avec un fort DPI entrainera un déplacement du curseur plus grand qu'une souris à faible DPI. Cela est utile quand on utilise un écran à haute résolution, mais pas dans d'autres cas.

Un autre paramètre important de la souris est la fréquence de rafraichissement déterminant le nombre d'informations envoyé à l'ordinateur par seconde. Suivant le connecteur, celle-ci varie. Une souris connecté au connecteur PS/2 (celui situé l'arrière de l'unité centrale), a une fréquence par défaut de 40 hertz, mais peut monter à 200 Hz si on le configure convenablement dans le panneau de configuration. Un port USB a une fréquence de 125 Hz par défaut, mais peut monter jusqu’à 1000 Hz avec les options de configuration adéquate dans le pilote de la souris. Plus cette fréquence est élevée, meilleure sera la précision et plus le temps de réaction de la souris sera faible, ce qui est utile dans les jeux vidéos. Mais cela entrainera une occupation processeur plus importante pour gérer les interruptions matérielles générées par la souris.

La carte son

Dans un ordinateur, toutes les données sont codées sous forme numérique, c'est à dire sous la forme de nombres entiers/ou avec un nombre de chiffres fixes après la virgule. Les ordinateurs actuels utilisent du binaire. Les informations sonores sont aussi stockées dans notre PC en binaire. Toutes vos applications qui émettent du son sur vos haut-parleurs stockent ainsi du son en binaire/numérique. Seulement, les haut-parleurs et microphone sont des composants dits analogiques, qui codent ou décodent l'information sonore sous la forme d'un tension électrique, qui peut prendre toutes les valeurs comprises dans un intervalle. Dans ces conditions, il faut bien faire l'interface entre les informations sonores numérique du PC, et le haut-parleur ou micro-phone analogique. Ce rôle est dévolu à un composant électronique qu'on appelle la carte son.

L'architecture globale

L'usage des microphones et des haut-parleurs demande de faire des conversions entre analogique et numérique. Les microphones transforment un signal sonore en un signal électrique analogique, alors que les haut-parleurs font l'inverse. Mais ces signaux analogiques ne sont pas compréhensibles par le reste de l'ordinateur, qui est composée de circuits numériques. C'est pour cela que la carte son doit faire la conversion des signaux analogiques en signaux numériques, en binaire.

• Pour le micro-phone, la conversion doit traduire un signal analogique, proportionnel à l'intensité sonore, en signal numérique. Le convertisseur analogique-numérique, ou CAN, recueille la tension transmise par le micro-phone et la convertit en binaire. Il est relié à un composant qui mesure la tension envoyée par le microphone à intervalles régulier : l'échantillonneur.
• De même, pour gérer les sorties haut-parleur, la carte son doit traduire le signal numérique provenant de l'ordinateur en un signal analogique utilisable par les haut-parleurs. Le convertisseur numérique-analogique, ou CNA, transforme des informations binaires en tension à envoyer à un haut-parleur.

En plus de tout cela, la carte son contient, au minimum, des circuits chargés de gérer les transferts entre la mémoire et la carte son, des circuits de communication avec le bus.

Architecture d'une carte son.

Il faut signaler que certaines cartes son possèdent un processeur, qui s'occupe du calcul de divers effets sonores. Ce processeur est techniquement un processeur de traitement de signal, aussi appelé DSP, à savoir un type de processeur que nous aborderons en détail d'ici quelques chapitres. Ce DSP est placé en aval du CNA, ce qui est évident quand on sait que le processeur ne peut traiter que des informations numériques.

CARTE SON avec DSP

En aval du CAN (ou du DSP, cas échéant), on trouve une petite mémoire dans laquelle sont stockées les informations qui viennent d'être numérisée. Cette mémoire sert à interfacer le processeur avec le CNA : le processeur est forcément très rapide, mais il n'est pas disponible à chaque fois que la carte son a fini de traduire un son. Les informations numérisées sont donc accumulées dans une petite mémoire FIFO en attendant que le processeur puisse les traiter. La même chose a lieu pour le CNA. Le processeur étant assez pris, il n'est pas forcément capable d'être disponible tous les 10 millisecondes pour envoyer un son à la carte son. Dans ces conditions, le processeur prépare à l'avance une certaine quantité d'information, suffisamment pour tenir durant quelques millisecondes. Une fois qu'il dispose de suffisamment d’informations sonores, il va envoyer le tout en une fois à la carte son. Celle-ci stockera ces informations dans une petite mémoire FIFO qui les conservera dans l'ordre. Elle convertira ces informations au fur et à mesure, à un fréquence régulière.

Architecture d'une carte son avec les mémoires tampons.

L'échantillonneur

La tension transmise par le microphone varie de manière continue, ce qui rend sa transformation en numérique difficile. Pour éviter tout problème, la valeur de la tension est mesurée à intervalle réguliers, tout les 20 millisecondes par exemple. On parle alors d’échantillonnage. Le nombre de fois que notre tension est mesurée par seconde s'appelle la fréquence d'échantillonnage. Pour donner quelques exemples, le signal sonore d'un CD audio a été échantillonné à 44,1 kHZ, c'est à dire 44100 fois par secondes. Plus cette fréquence est élevée, plus le son sera de qualité, proche du signal analogique mesuré. C'est ce qui explique qu'augmenter la fréquence d'échantillonnage augmente la quantité de mémoire nécessaire pour stocker le son. Sur les cartes sons actuelles, il est possible de configurer la fréquence d'échantillonnage.

L’échantillonnage est réalisé par un circuit appelé l’échantillonneur-bloqueur. L'échantillonneur-bloqueur le plus simple ressemble au circuit du schéma ci-dessous. Les triangles de ce schéma sont ce qu'on appelle des amplificateurs opérationnels, mais on n'a pas vraiment à s'en préoccuper. Dans ce montage, ils servent juste à isoler le condensateur du reste du circuit, en ne laissant passer les tensions que dans un sens. L'entrée C est reliée à un signal d'horloge qui ouvre ou ferme l'interrupteur à fréquence régulière. La tension va remplir le condensateur quand l'interrupteur se ferme. Une fois le condensateur remplit, l'interrupteur est déconnecté isolant le condensateur de la tension d'entrée. Celui-ci mémorisera alors la tension d'entrée jusqu'au prochain échantillonnage.

Echantillonneur-bloqueur.

Les convertisseurs entre analogique et numérique

Pour faire les conversions analogiques-numériques, on utilise deux circuits, vus dans les chapitres en début de cours :

• Le circuit qui convertit un signal analogique en signal numérique cela est un CAN (convertisseur analogique-numérique).
• Le circuit qui fait la conversion inverse est un CNA (convertisseur numérique-analogique).

CAN & CNA

Le signal numérique de la carte son, utilisé pour coder le son, utilise un certain nombre de bits. Sur les cartes sons actuelles, ce nombre de bits porte un nom : c'est la résolution de la carte son. Celui-ci varie entre 16 et 24 bits sur les cartes sons récentes.

Le multiplexeur analogique

Une carte son peut supporter plusieurs entrées analogiques. Malheureusement, cela coûterait trop cher de mettre plusieurs CAN sur une carte son. À la place, les concepteurs de cartes sons mutualisent le CAN sur plusieurs entrées analogiques grâce à un multiplexeur analogique. Ce multiplexeur récupère les tensions des différentes entrées, et en choisira une qui est recopiée sur la sortie. Ce multiplexeur comporte une entrée de commande qui permet de choisir quelle entrée sera choisie pour être recopiée sur la sortie. Ce multiplexeur est ensuite suivi par un amplificateur,qui fait rentrer la tension fournit en entrée dans un intervalle de tension compatible avec le CAN.

Partage de CAN sur plusieurs entrées.

La carte graphique

Les cartes graphiques sont des cartes qui s'occupent de communiquer avec l'écran, pour y afficher des images. Leur fonctionnement interne est cependant effroyablement complexe et il serait difficile de tout résumer en quelques lignes. Les anciennes versions de ce wikilivres ont tenté de le faire, mais le résultat était peu convainquant. La raison est que les cartes graphiques gèrent beaucoup de choses : elles gèrent l'affichage proprement dit, mais aussi le rendu 2D ou 3D, et ces trois fonctions sont relativement dépendantes les unes des autres. De plus, expliquer comment fonctionne une carte graphique demande de connaitre quelques bases sur le rendu 3D ou sur la couche logicielle de la programmation graphique, sur le pipeline graphique des API 3D modernes, et ce genre de subtilités. Et même quelque chose de très simple, comme l'affichage d'une image à l'écran, sans rendu 2D ou 3D, demande des explications assez longues, au moins un bon chapitre. Sachez cependant que nous reparlerons rapidement des cartes graphiques modernes dans les derniers chapitres de ce cours, dans le chapitre sur les architectures à parallélisme de données. De plus, je peux vous renvoyer vers un wikilivre spécialement dédié sur le sujet écrit par le même auteur que ce cours :

• Les cartes graphiques.