Informatique - Carte mère - Syllabus PDF

Professeur : J-M. Roussel Année scolaire : 2024-2025 Classe : 4 TT Informatique Informatique Nom de l'élève :................................................ Droits de reproduction © Le présent syllabus est le résultat de...

Professeur : J-M. Roussel Année scolaire : 2024-2025 Classe : 4 TT Informatique Informatique Nom de l'élève :................................................ Droits de reproduction © Le présent syllabus est le résultat de plusieurs dizaines (centaines??) d'heures de travail acharné, avec comme seul objectif de fournir aux élèves de l'Institut Provincial d'Enseignement Secondaire de Wavre un document de référence pour la poursuite de leurs études dans l'option Informatique. Il ne peut donc en aucun cas être utilisé en dehors de l'établissement susmentionné, ni reproduit de quelque manière que ce soit, sans le consentement écrit de l'auteur. Version Version 2.12 – Septembre 2023 Informatique 4 TT I Page 2 Table des matières Chap. 1 : La carte mère........................................................................................................................5 Chap. 2 : L'unité centrale de l'ordinateur..........................................................................................13 Chap. 3 : Les bus informatiques.........................................................................................................25 Chap. 4 : Le logiciel informatique......................................................................................................29 Chap. 5 : Les bases de numération....................................................................................................37 Chap. 6 : La logique combinatoire et l'arithmétique logique............................................................47 Chap. 7 : Réseau 1 : Le concept de réseau........................................................................................59 Chap. 8 : Réseau 2 : Topologies des réseaux.....................................................................................63 Chap. 9 : Réseau 3 : Les architectures réseaux..................................................................................67 Chap. 10 : Réseau 4 : Les types de réseaux privés............................................................................73 Chap. 11 : Réseau 5 : Le protocole Internet......................................................................................75 Chap. 12 : Réseau 6 : Le système de noms de domaine (DNS).........................................................93 Chap. 13 : Réseau 7 : La sécurité des réseaux...................................................................................97 Chap. 14 : L'algorithmique...............................................................................................................101 Chap. 15 : Le Web 2.0......................................................................................................................111 Chap. 16 : L'analogique et le numérique.........................................................................................115 Sources Wikipedia Comment Ca Marche www.sio2.be Publimath Le site du zéro sebsauvage.net kernel-panic.it www.ybet.be techtrends.eu www.positron-libre.com fredcavazza.net Informatique 4 TT I Page 3 Informatique 4 TT I Page 4 Chap. 1 : La carte mère Chap. 1 : La carte mère Objectifs A la fin de ce chapitre, tu dois être capable : De citer et décrire les éléments constitutifs d'une carte mère, De décrire le rôle du chipset, du BIOS, de l'horloge, du CMOS et de la pile, De citer et décrire les grandes familles de carte mère d'après le facteur d'encombrement, De citer et décrire les différentes parties du microprocesseur (support, ZIF, ventirad...) De citer et expliquer les différents types de connecteurs d'extension De citer et expliquer les différents types de connecteurs d'entrée-sortie 1. Introduction L'élément constitutif principal de l'ordinateur est la carte mère (en anglais "mainboard" ou "motherboard", parfois abrégé en "mobo"). La carte mère est le socle permettant la connexion électrique de l'ensemble des éléments essentiels de l'ordinateur. Informatique 4 TT I Page 5 Chap. 1 : La carte mère Comme son nom l'indique, la carte mère est une carte maîtresse, prenant la forme d'un grand circuit imprimé possédant notamment des connecteurs pour les cartes d'extension, les barrettes de mémoires, le processeur, etc... 2. Composants intégrés La carte mère contient un certain nombre d'éléments embarqués, c'est-à-dire intégrés sur son circuit imprimé : Le chipset, circuit qui contrôle la majorité des ressources (interface de bus du processeur, mémoire cache et mémoire vive, slots d'extension,...), Le CMOS, l'horloge et la pile, Le BIOS, Le bus système et les bus d'extension. En outre, les cartes mères récentes embarquent généralement un certain nombre de périphériques multimédia et réseau pouvant être désactivés : carte réseau intégrée ; carte graphique intégrée ; carte son intégrée ; contrôleurs de disques durs évolués. 2.1. Le chipset Le chipset (traduisez jeu de composants ou jeu de circuits) est un circuit électronique chargé de coordonner électriquement les échanges de données entre les divers composants de l'ordinateur (processeur, mémoire...). Dans la mesure où le chipset est intégré à la carte mère, il est important de choisir une carte mère intégrant un chipset récent afin de maximiser les possibilités d'évolutivité de l'ordinateur. Certains chipsets intègrent parfois une puce graphique ou une puce audio, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire d'installer une carte graphique ou une carte son. Il est toutefois parfois conseillé de les désactiver (lorsque cela est possible) dans le setup du BIOS et d'installer des cartes d'extension de qualité dans les emplacements prévus à cet effet. 2.2. Le CMOS, l'horloge et la pile L'horloge temps réel (notée RTC, pour Real Time Clock) est un circuit chargé de la synchronisation des signaux du système. Elle est constituée d'un cristal qui, en vibrant, donne des impulsions (appelés tops d'horloge) afin de cadencer le système. On appelle fréquence de l'horloge (exprimée en MHz) le nombre de vibrations du cristal par seconde, c'est-à-dire le nombre de tops d'horloge émis par seconde. Plus la fréquence est élevée, plus le système peut traiter d'informations. Lorsque l'ordinateur est mis hors tension, l'alimentation cesse de fournir du courant à la carte mère. Or, lorsque l'ordinateur est rebranché, le système est toujours à l'heure. Un circuit électronique (en réalité une petite mémoire vive), appelé CMOS (Complementary Metal-Oxyde Semiconductor, parfois appelé BIOS CMOS), conserve en effet certaines informations sur le système, telles que l'heure, la date système et quelques paramètres essentiels du système. Le CMOS est continuellement alimenté par une pile (au format pile bouton) ou une batterie située Informatique 4 TT I Page 6 Chap. 1 : La carte mère sur la carte mère. Ainsi, les informations sur le matériel installé dans l'ordinateur (comme par exemple le nombre de pistes, de secteurs de chaque disque dur) sont conservées dans le CMOS. Dans la mesure où le CMOS est une mémoire très lente, certains systèmes recopient parfois le contenu du CMOS dans la RAM (mémoire rapide), le terme de "memory shadow" est employé pour décrire ce processus de copie en mémoire vive. En revanche le CMOS consomme extrêmement peu d'énergie, d'où son emploi dans les horloges d'ordinateurs, qui sont alimentées par des piles. Le terme de CMOS est parfois utilisé à tort pour désigner l'horloge des ordinateurs. Lorsque l'heure du système est régulièrement réinitialisée, ou que l'horloge prend du retard, il suffit généralement d'en changer la pile. 2.3. Le BIOS Le BIOS (Basic Input/Output System) est un programme, contenu dans la mémoire morte (ROM) de la carte mère d'un ordinateur, lui permettant d'effectuer des opérations de base lors de sa mise sous tension, par exemple l’identification des périphériques d’entrée/sortie connectés et la lecture d'un secteur sur un disque. Par extension, le terme est souvent utilisé pour décrire l'ensemble du micrologiciel de la carte mère. Le BIOS a un rôle essentiel pour le fonctionnement de la carte mère : il initialise tous les composants de la carte mère, du chipset et de certains périphériques ; il identifie tous les périphériques internes et externes qui lui sont connectés ; si cela n'a pas déjà été fait, il initialise l'ordre de priorité des périphériques d'entrée ; il démarre le système d'exploitation présent sur le premier périphérique disponible. Il est possible de configurer le BIOS grâce à une interface nommée BIOS setup (traduisez configuration du BIOS) accessible au démarrage de l'ordinateur par simple pression d'une touche. En réalité le setup du BIOS sert uniquement d'interface pour la configuration, les données sont stockées dans le CMOS. 3. Caractéristiques Il existe plusieurs façons de caractériser une carte mère, notamment selon les caractéristiques suivantes : le facteur d'encombrement, le chipset, le type de support de processeur, les connecteurs d'entrée-sortie. Informatique 4 TT I Page 7 Chap. 1 : La carte mère 3.1. Facteur d'encombrement d'une carte mère On désigne généralement par le terme facteur d'encombrement (ou facteur de forme, en anglais form factor), la géométrie, les dimensions, l'agencement et les caractéristiques électriques de la carte mère. Afin de fournir des cartes mères pouvant s'adapter dans différents boîtiers de marques différentes, des standards ont été mis au point : AT baby / AT full format est un format utilisé sur les premiers ordinateurs PC du type 386 ou 486. Ce format a été remplacé par le format ATX possédant une forme plus propice à la circulation de l'air et rendant l'accès aux composants plus pratique ; ATX : Le format ATX est une évolution du format Baby-AT. Il s'agit d'un format étudié pour améliorer l'ergonomie. Ainsi la disposition des connecteurs sur une carte mère ATX est prévue de manière à optimiser le branchement des périphériques (les connecteurs IDE sont par exemple situés du côté des disques). D'autre part, les composants de la carte mère sont orientés parallèlement, de manière à permettre une meilleure évacuation de la chaleur ; ◦ ATX standard : Le format ATX standard présente des dimensions classiques de 305x244 mm. Il propose un connecteur AGP et 6 connecteurs PCI. ◦ micro-ATX : Le format microATX est une évolution du format ATX, permettant d'en garder les principaux avantages tout en proposant un format de plus petite dimension (244x244 mm), avec un coût réduit. Le format micro-ATX propose un connecteur AGP et 3 connecteurs PCI. ◦ Flex-ATX : Le format FlexATX est une extension du format microATX afin d'offrir une certaine flexibilité aux constructeurs pour le design de leurs ordinateurs. Il propose un connecteur AGP et 2 connecteurs PCI. ◦ mini-ATX : Le format miniATX est un format compact alternatif au format microATX (284x208 mm), proposant un connecteur AGP et 4 connecteurs PCI au lieu des 3 du format microATX. Il est principalement destiné aux ordinateurs de type mini-PC (barebone). BTX : Le format BTX (Balanced Technology eXtended), porté par la société Intel, est un format prévu pour apporter quelques améliorations de l'agencement des composants afin d'optimiser la circulation de l'air et de permettre une optimisation acoustique et thermique. Les différents connecteurs (connecteurs de mémoire, connecteurs d'extension) sont ainsi alignés parallèlement, dans le sens de circulation de l'air. Par ailleurs le microprocesseur est situé à l'avant du boîtier au niveau des entrées d'aération, où l'air est le plus frais. Le connecteur d'alimentation BTX est le même que celui des alimentations ATX. Le standard BTX définit trois formats : ◦ BTX standard, présentant des dimensions standard de 325x267 mm ; ◦ micro-BTX, de dimensions réduites (264x267 mm) ; ◦ pico-BTX, de dimensions extrêmement réduites (203x267 mm). ITX : Le format ITX (Information Technology eXtended), porté par la société Via, est un format extrêmement compact prévu pour des configurations exiguës telles que les mini-PC. Il existe deux principaux formats ITX : ◦ mini-ITX, avec des dimensions minuscules (170x170 mm) est un emplacement PCI ; ◦ nano-ITX, avec des dimensions extrêmement minuscules (120x120 mm) et un emplacement miniPCI. Informatique 4 TT I Page 8 Chap. 1 : La carte mère Ainsi, du choix d'une carte mère (et de son facteur de forme) dépend le choix du boîtier. Le tableau ci-dessous récapitule les caractéristiques des différents facteurs de forme : Facteur de forme Dimensions Emplacements ATX 305 mm x 244 mm AGP / 6 PCI microATX 244 mm x 244 mm AGP / 3 PCI FlexATX 229 mm x 191 mm AGP / 2 PCI Mini ATX 284 mm x 208 mm AGP / 4 PCI Mini ITX 170 mm x 170 mm 1 PCI Nano ITX 120 mm x 120 mm 1 MiniPCI BTX 325 mm x 267 mm 7 microBTX 264 mm x 267 mm 4 picoBTX 203 mm x 267 mm 1 3.2. Le support de processeur Le processeur (aussi appelé microprocesseur) est le cerveau de l'ordinateur. Il exécute les instructions des programmes grâce à un jeu d'instructions. Le processeur est caractérisé par sa fréquence, c'est-à-dire la cadence à laquelle il exécute les instructions. Ainsi, un processeur cadencé à 2 GHz effectuera grossièrement 2 milliards d'opérations par seconde. La carte mère possède un emplacement (parfois plusieurs dans le cas de cartes mères multi- processeurs) pour accueillir le processeur, appelé support de processeur. On distingue deux catégories de supports : Slot (en français fente) : il s'agit d'un connecteur rectangulaire dans lequel on enfiche le processeur verticalement. Ce connecteur est très ancien et plus rencontré actuellement. Socket (en français embase) : il s'agit d'un connecteur carré possédant un grand nombre de petits connecteurs sur lequel le processeur vient directement s'enficher Au sein de ces deux grandes familles, il existe des versions différentes du support, selon le type de processeur. Il est essentiel, quel que soit le support, de brancher délicatement le processeur afin de ne tordre aucune de ses broches (il en compte plusieurs centaines). Afin de faciliter son insertion, un support appelé ZIF (Zero Insertion Force, traduisez force d'insertion nulle) a été créé. Les supports ZIF possèdent une petite manette, qui, lorsqu'elle est levée, permet l'insertion du processeur sans aucune pression et, lorsqu'elle est rabaissée, maintient le processeur sur son support. Le processeur possède généralement un détrompeur, matérialisé par un coin tronqué ou une marque de couleur, devant être aligné avec la marque correspondante sur le support. Dans la mesure où le processeur rayonne thermiquement, il est nécessaire d'en dissiper la chaleur pour éviter que ses circuits ne fondent. C'est la raison pour laquelle il est généralement surmonté d'un dissipateur thermique (appelé parfois refroidisseur ou radiateur), composé d'un métal ayant une bonne conduction thermique (cuivre ou aluminium), chargé d'augmenter la surface d'échange thermique du microprocesseur. Le dissipateur thermique comporte une base en contact avec le Informatique 4 TT I Page 9 Chap. 1 : La carte mère processeur et des ailettes afin d'augmenter la surface d'échange thermique. Un ventilateur accompagne généralement le dissipateur pour améliorer la circulation de l'air autour du dissipateur et améliorer l'échange de chaleur. Le terme "ventirad" est ainsi parfois utilisé pour désigner l'ensemble Ventilateur + Radiateur. C'est le ventilateur du boîtier qui est chargé d'extraire l'air chaud du boîtier et permettre à l'air frais provenant de l'extérieur d'y entrer. Pour éviter les bruits liés au ventilateur et améliorer la dissipation de chaleur, il est également possible d’utiliser un système de refroidissement à eau (dit watercooling). 3.3. Les connecteurs de mémoire vive La mémoire vive (RAM pour Random Access Memory) permet de stocker des informations pendant tout le temps de fonctionnement de l'ordinateur, son contenu est par contre détruit dès lors que l'ordinateur est éteint ou redémarré, contrairement à une mémoire de masse telle que le disque dur, capable de garder les informations même lorsqu'il est hors tension. On parle de "volatilité" pour désigner ce phénomène. Pourquoi alors utiliser de la mémoire vive alors que les disques durs reviennent moins chers à capacité égale ? La réponse est que la mémoire vive est extrêmement rapide par comparaison aux périphériques de stockage de masse tels que le disque dur ou SSD. Elle possède en effet un temps de réponse de l'ordre de quelques nanosecondes (environ 1,5 nanosecondes pour les SDRAM DDR3) contre ± 8 millisecondes pour le disque dur, et ± 80 microsecondes pour un SSD. La mémoire vive se présente sous la forme de barrettes qui se branchent sur les connecteurs de la carte mère. Informatique 4 TT I Page 10 Chap. 1 : La carte mère 3.4. Les connecteurs d'extension Les connecteurs d'extension (en anglais slots) sont des réceptacles dans lesquels il est possible d'insérer des cartes d'extension, c'est-à-dire des cartes offrant de nouvelles fonctionnalités ou de meilleures performances à l'ordinateur. Il existe plusieurs sortes de connecteurs : Connecteur PCI (Peripheral Component InterConnect) : permettant de connecter des cartes PCI, beaucoup plus rapides que les anciennes cartes ISA et fonctionnant en 32-bit Connecteur AGP (Accelerated Graphic Port): un connecteur rapide pour carte graphique. Connecteur PCI Express (Peripheral Component InterConnect Express) : architecture de bus plus rapide que les bus AGP et PCI. 3.5. Les connecteurs d'entrée-sortie La carte mère possède un certain nombre de connecteurs d'entrées-sorties regroupés sur le "panneau arrière". La plupart des cartes mères proposent les connecteurs suivants : Port série, (DB9 / DB25) permettant de connecter de vieux périphériques, Aujourd'hui remplacé par les ports USB ; Port parallèle, permettant notamment de connecter de vieilles imprimantes ; Ports PS/2, connecteurs vert et violet permettant de connecter un clavier et une souris ; Ports USB (Universal Serial Bus) ◦ Le standard USB 1.0 avec 2 vitesses de communication : le mode lent (Slow Speed) avec 1.5Mbit/s et le mode rapide (Full Speed) à 12 Mbit/s ; ◦ le standard USB 2.0 (High Speed)qui débite théoriquement à 480 Mbit/s ; ◦ le standard 3.0 (Super Speed) à théoriquement 5 Gbit/s ; Informatique 4 TT I Page 11 Chap. 1 : La carte mère Connecteur RJ45 (appelés LAN ou port Ethernet) permettant de connecter l'ordinateur à un réseau. Il correspond à une carte réseau intégrée à la carte mère. RJ venant de l'anglais « Registered Jack » ; Connecteur VGA (appelé SUB-D15), permettant de connecter un écran. Ce connecteur correspond à la carte graphique intégrée ; Connecteur DVI (Digital Visual Interface) permettant de connecter un écran ; Connecteur HDMI (High Definition Multimedia Interface) permettant de connecter une TV ; Connecteur DisplayPort : connecteur vidéo numérique qui gère l'audio et la vidéo en haute définition. Permet de connecter un écran haute définition Connecteurs audio : (entrée Line-In, sortie Line-Out et microphone), permettant de connecter des enceintes acoustiques ou une chaîne hi fi, ainsi qu'un microphone. Ce connecteur correspond à la carte son intégrée. Connecteurs audio numériques : permettent de relier un système audio à l'ordinateur via un flux de données numérique (bitstream). Informatique 4 TT I Page 12