Aujourd’hui, nous allons parler de la carte mère d’un ordinateur. La carte mère est sans aucun doute l’élément de base pour la création d’un ordinateur, où le reste des composants tels que le CPU ou la mémoire RAM seront installés pour que la machine puisse démarrer et fonctionner. Voyons en détail ce qu’est une carte mère et comment elle fonctionne.
Qu’est-ce qu’une carte mère ?
La carte mère est sans aucun doute la partie la plus importante d’un ordinateur. C’est lui qui va déterminer l’architecture des composants internes de votre ordinateur. Chaque carte mère sera conçue pour accueillir certains composants, ou certains types de familles de composants, et elle supportera également certaines vitesses et capacités de ces composants.
Tous ou presque tous les composants qui font partie de l’ordinateur seront connectés à la carte mère, qui sera également chargée d’établir un bus de communication entre ces composants (CPU, RAM, carte graphique) et les périphériques installés dessus (souris, clavier, écran, etc.).
Son aspect physique est celui d’un circuit électronique de certaines dimensions dans lequel sont installés une série d’éléments tels que des puces, des condensateurs, des connecteurs de composants et des lignes électriques, qui forment ensemble la structure d’un ordinateur.
La quasi-totalité d’entre eux doit être équipée de quatre éléments de base :
- L’alimentation électrique
- Le processeur central
- La mémoire RAM
- Les unités de stockage
Les cartes mères se composent de différents facteurs de forme physiques qui déterminent les dimensions physiques de la carte mère.
Formats des cartes mères
Les formats que l’on peut trouver sur le marché sont les suivants :
E-ATX
Il s’agit du plus grand facteur de forme disponible sur le marché. Ses dimensions sont de 305 x 330 mm. Ces cartes disposent généralement de nombreux emplacements pour les cartes d’extension et de nombreuses possibilités d’installation de cartes graphiques en SLI ou Crossfire.
En outre, jusqu’à 8 emplacements sont disponibles pour l’installation de la mémoire RAM.
ATX
Ces cartes sont sur le marché depuis 1995 grâce à leur mise en œuvre par Intel. Ce sont aussi les plus courantes. Leurs dimensions sont de 305 x 244 mm, mais il en existe aussi avec des dimensions légèrement différentes. Cependant, les trous pour leur placement dans le châssis doivent être situés exactement aux endroits normalisés.
Ce type de carte mère est utilisé pour presque tous les types de systèmes, bureautique, jeux, etc. Cela est dû à leurs vastes possibilités d’expansion. Normalement, il y a 7 emplacements d’extension et 4 emplacements pour l’installation de la RAM.
Micro ATX
Les cartes mères de ce format ont des dimensions de 244 x 244 mm, elles sont donc considérablement plus petites que les précédentes, d’environ 25%. Ces cartes, d’un format plus petit, sont destinées aux équipements de bureau, qui n’ont pas besoin d’autant d’emplacements d’extension et occupent également des châssis plus petits.
Parmi ses possibilités d’extension, il dispose d’un maximum de 5 slots d’extension, bien que 3 slots soient normaux, et de slots pour jusqu’à 4 mémoires RAM. Ce type de cartes nécessitera un châssis compatible avec leur fixation car la position des vis sera différente de celle des cartes ATX.
Mini ITX
Il s’agit du plus petit format de carte mère disponible pour les ordinateurs domestiques. Ses dimensions sont de 170 x 170 mm. Il possède quatre trous de montage qui correspondent à ceux installés pour une carte ATX.
Sur ces cartes, on trouve un seul emplacement d’extension pour la carte graphique et deux emplacements pour la mémoire RAM.
Il existe d’autres facteurs de forme tels que XL-ATX, mais ils ne sont pas très courants dans la gamme basse/moyenne. Uniquement dans la gamme PREMIUM
Composants physiques d’une carte mère
Ce sera de loin la plus grande section de cet article, car la carte mère comporte un grand nombre de composants qui méritent d’être mentionnés. Alors, commençons.
Chipset
Le chipset ou “jeu de puces” est un ensemble de circuits intégrés destinés à établir la communication entre le processeur et les autres composants installés sur la carte mère. Ces éléments peuvent être la mémoire RAM, les disques durs, les fentes d’extension et les ports d’entrée et de sortie.
Avec l’évolution de la technologie des cartes mères, ces puces sont généralement constituées d’une seule puce centrale. En outre, ces puces sont exclusivement conçues pour un ensemble de processeurs ou une certaine marque et pour certains modules de RAM. Cela signifie que lors de l’achat d’une carte mère sur le marché, il est nécessaire d’acheter également un processeur et des modules de mémoire vive compatibles avec la carte mère.
Cartes mères plus anciennes
Le chipset peut être intégré à deux puces et est également appelé North Bridge et South Bridge. Chacune de ces puces est responsable de certaines tâches à effectuer :
North Bridge : cette puce est directement connectée au bus du processeur et communique directement avec le processeur et la mémoire RAM. Ce bus est également appelé Front Side Bus ou (FSB) et constitue un facteur déterminant de la vitesse et des performances d’un ordinateur. Il est également responsable de la communication avec les ports PCI-Express, car ce sont ces derniers qui prennent en charge les composants à plus grande vitesse, tels que la carte mère ou les nouveaux disques de stockage à l’état solide M.2 et PCI-E.
Pont sud : cette puce est directement connectée au pont nord via le bus DMI (Direct Media Interface). Cette puce prend en charge les communications des périphériques d’entrée et de sortie et les connecte au pont nord. Par exemple, disques durs SATA, USB, Fire Wire, carte réseau, AUDIO, etc.
Cartes mères modernes
Aujourd’hui, avec l’avènement des processeurs multi-cœurs tels que Intel Core et AMD FX, ce chipset a été considérablement réduit à une seule puce et le pont sud a disparu.
En effet, les nouveaux processeurs intègrent le contrôleur de mémoire en leur sein et sont donc directement connectés au bus de la RAM. Disons que le pont FSB est intégré à l’intérieur du processeur et que le bus en charge du reste des dispositifs est appelé Platform Controller Hub (PCH) remplaçant le bus DMI.
Types de chipsets
Il existe un grand nombre de modèles de chipset. Chaque évolution des processeurs s’accompagne d’une évolution de ces chipsets. Comme pour tout le reste, il existe des chipsets bas de gamme pour une gestion des composants ou une vitesse moindre, des chipsets de milieu de gamme et des chipsets haut de gamme qui offrent une vitesse maximale et la prise en charge de plusieurs cartes graphiques et de la RAM la plus rapide du marché.
En fonction du fabricant du processeur, on peut trouver des chipsets conçus pour les processeurs AMD, et des chipsets conçus pour les processeurs Intel.
Socle de microprocesseur
Le microprocesseur doit être installé sur la carte mère, et à cette fin, un socle avec les connecteurs physiques pour communiquer avec la carte sera nécessaire. Il existe deux types de prises :
- PGA (Pid Grid Array) : dans cette prise se trouve un panneau avec des trous pour insérer le microprocesseur, qui aura des broches de contact pour son insertion.
- LGA (Land Grid Array) : dans ce socket, il y a une matrice de contacts dorés qui assurent le contact entre la carte mère et la puce du processeur, qui n’a qu’une surface plane avec des points de contact.
La technologie d’insertion est appelée ZIF (Zero Insertion Force), car la puce s’insère parfaitement dans la douille sans qu’aucune force ne soit nécessaire dans le processus.
Comme pour les processeurs, il existe de nombreux types de prises disponibles pour l’installation. Cela signifie que lorsque vous achetez une carte mère d’une architecture particulière, vous devez acheter un processeur qui est compatible avec cette architecture.
De plus, chaque carte mère est conçue pour un fabricant de processeurs particulier, de sorte que le socle et le jeu de puces doivent être compatibles avec cette marque.
Emplacements de mémoire RAM
Ces connecteurs ou bus sont chargés d’accueillir les modules de mémoire RAM à installer dans l’équipement. En général, les cartes mères ont 4 slots ou les cartes mères haut de gamme ont 8 slots.
Ces emplacements sont généralement conçus pour fonctionner avec la technologie à double canal (dual channel) ou même à quadruple canal (quad channel). Comme pour le processeur, chaque carte mère prend en charge une architecture de mémoire vive particulière.
Les cartes mères disposent actuellement de différents types d’emplacements pour la mémoire vive, bien qu’ils appartiennent tous à la norme DDR. Nous aurons : DDR, DDR2, DDR3 et DDR4.
VRM
Acronyme de Voltage Regulator Module. Il s’agit d’un ensemble de composants qui transforment le courant électrique qui parvient à la carte mère en tensions de différentes valeurs et intensités afin qu’elles puissent être utilisées par les autres composants installés sur la carte mère. Bien que cet élément ne soit pas particulièrement frappant, il est essentiel pour que les composants fonctionnent correctement et pour éviter les ruptures.
Emplacements d’extension
Ce sont les emplacements qui permettent d’étendre le matériel installé dans votre ordinateur. Les cartes graphiques, les disques durs, les cartes réseau, les cartes son, etc. peuvent être installés dans ces emplacements.
Ces slots sont actuellement appelés PCI-Express ou PCI-E et remplacent les slots PCI traditionnels. Chaque emplacement d’extension PCI-E transporte 1, 2, 4, 8, 16 ou 32 liaisons de données entre la carte mère et les cartes connectées. Ce nombre de liens est codé par le préfixe x, par exemple x1 pour un seul lien et x16 pour une carte avec 16 liens, qui sont utilisés pour les cartes graphiques.
Chacun de ces liens donnera une vitesse de 250 MB/s.
Si nous avons 32 liens, ils donneront la bande passante maximale, c’est-à-dire 8 GB/s dans chaque direction pour PCIE 1.1. Le plus couramment utilisé est le PCI-E x16 qui offre une bande passante de 4 GB/s (250 MB/s x 16) dans chaque direction. Une seule liaison est environ deux fois plus rapide qu’une liaison PCI normale. 8 liens ont une bande passante comparable à la version la plus rapide du bus AGP, qui sont les anciens emplacements pour cartes graphiques.
BIOS
Le BIOS ou Basic Input-Output System est une ROM, EPROM ou Flash-RAM qui contient des informations sur la configuration de la carte mère au niveau le plus bas.
À l’intérieur du BIOS se trouve également une puce mémoire appelée CMOS, dans laquelle est stocké le programme capable d’initialiser tous les composants physiques de la carte mère afin de pouvoir démarrer l’ordinateur. Il est également chargé de vérifier qu’il n’y a pas d’erreurs ou de dispositifs manquants, par exemple de la RAM, de l’unité centrale ou du disque dur.
La mémoire du BIOS est alimentée en permanence par une batterie. De cette façon, lorsque la machine est éteinte, les données et les paramètres configurés dans l’ordinateur ne sont pas perdus. Si, pour une raison quelconque, cette pile s’épuise ou si nous la retirons, les informations du BIOS sont réinitialisées aux valeurs par défaut, mais elles ne sont jamais perdues.
Carte son et carte réseau
Ce sont les puces responsables du traitement du son multimédia de notre ordinateur et de la connexion réseau. Leurs puces sont situées près des ports de sortie de la carte mère et peuvent souvent être identifiées par leur marquage RealTek, car RealTek est le fabricant d’un grand nombre de ces dispositifs embarqués.
Connecteurs SATA
Il s’agit de la norme de communication des PC actuels pour la connexion des disques durs mécaniques et des disques SSD. Dans SATA, un bus série est utilisé au lieu d’un bus parallèle pour transmettre les données. Il est nettement plus rapide que l’IDE traditionnel et plus efficace. Il permet également le branchement à chaud des appareils et dispose de bus beaucoup plus petits et plus faciles à gérer.
Sur une carte mère, on peut avoir jusqu’à 6 ou 10 de ces ports pour installer des disques durs. La norme actuelle est le SATA 3, qui permet des transferts allant jusqu’à 600 Mo/s.
Connecteur M.2 ouMGFF
Ce port est déjà installé sur presque toutes les cartes mères. M.2 est la nouvelle norme de communication qui est destinée à remplacer la connexion SATA SSD à moyen ou à court terme. Il utilise les protocoles de communication SATA et NVMe. M.2 est destiné exclusivement à l’installation de disques de stockage, évitant ainsi d’avoir à occuper des emplacements PCI-E. Cette norme n’a pas la vitesse de PCI-E mais est bien supérieure à SATA.
Connecteurs d’alimentation
La carte mère doit être connectée à une alimentation électrique et dispose à cet effet de plusieurs types de connecteurs d’alimentation.
ATX
Il s’agit du connecteur traditionnel qui alimente la plupart des composants de la carte mère. Il est constitué de 24 fils ou broches et se trouve normalement sur le côté droit de la carte mère, à côté des emplacements de mémoire vive.
Alimentation du CPU
En plus du connecteur ATX2, presque toutes les nouvelles cartes mères, du moins les cartes mères ATX, disposent également de ce type de connecteur destiné exclusivement à l’alimentation du processeur. Ce type d’alimentation permet d’augmenter la puissance de la carte mère, notamment en cas d’overclocking des processeurs qui nécessitent plus de puissance pour leur consommation.
Vous pouvez trouver un connecteur CPU à 4 broches (plus ancien), un connecteur à 8 broches ou un connecteur à 4 + 6 broches. Leurs fonctions seront pratiquement les mêmes, et tous fonctionnent avec une tension de 12V.
Connecteurs externes
Ces connecteurs sont situés sur le côté de la carte mère, presque toujours sur le côté gauche. Ils seront chargés de connecter les périphériques que nous avons dans notre installation, par exemple, les imprimantes, les souris, les claviers, les haut-parleurs, les unités de stockage, etc. On peut distinguer les types suivants :
- PS/2 : Il existe deux ports de ce type, qui sont pratiquement obsolètes. Ils ont 6 broches et sont destinés à connecter le clavier et la souris. Presque aucun clavier n’a plus ce type de connecteur, ils sont donc déplacés et remplacés par l’USB.
- USB (Universal Serial Bus) : il s’agit de la norme de connexion série la plus utilisée dans le monde. Ce connecteur est “plug and play”, nous pouvons donc brancher un périphérique à chaud et le système d’exploitation le reconnaîtra immédiatement. En plus de l’échange de données, il permet également l’alignement du périphérique, il est donc très polyvalent. Il existe actuellement quatre versions de ce port : USB 1.1 avec une vitesse de 12 Mb/s, USB 2.0 avec 480 Mb/s, USB 3.0 avec 4,8 Gb/s et USB 3.1 avec 10 Gb/s.
- FireWire : Une norme similaire à l’USB, mais principalement utilisée en Amérique. Il a pratiquement les mêmes fonctionnalités que l’USB et existe en 4 versions, la plus rapide étant le FireWire s3200 avec 3.2 Gb/s.
- HDMI ou DisplayPort : Ces ports existent si la carte mère possède une carte graphique intégrée. Il s’agit d’une norme de communication multimédia numérique qui permet de connecter des appareils vidéo haute définition. Les signaux vidéo et audio passent par ces ports, ce qui les rend particulièrement utiles. Aujourd’hui, ils ont presque entièrement remplacé le port VGA.
- DVI et VGA : ports permettant de connecter des écrans, prédécesseurs de HDMI.
- Ethernet : port destiné au connecteur internet RJ 45.
- Prise jack 3,5″ : Connecteur pour les périphériques d’entrée ou de sortie audio.
Autres éléments
- Ports USB internes : Sur la partie inférieure de la carte mère se trouvent des connecteurs permettant d’étendre les ports USB de votre ordinateur. Normalement, les ports USB disponibles sur le châssis seront connectés.
- Ports sonores internes : comme pour l’USB, la carte dispose d’un port interne pour connecter un microphone et des haut-parleurs à partir des ports du châssis.
- Horloges : Pour synchroniser tous les composants internes, il faut une série d’horloges qui fonctionnent à des fréquences différentes, en fonction de la fréquence requise par chaque composant.
- Connecteurs de ventilateur : il s’agit de connecteurs 12V pour l’insertion de ventilateurs tels que le ventilateur du CPU ou du châssis. Ils ont 4 broches.
- Panneau de démarrage : il s’agit d’une série de connecteurs d’alimentation où sont connectés les boutons du châssis, qui sont responsables du démarrage et de la réinitialisation du système. Les voyants du disque dur et de l’alimentation seront également connectés.
Comment fonctionne une carte mère
Le fonctionnement d’une carte mère est assez complexe, en raison du grand nombre d’éléments qui y sont installés et du nombre de bus utilisés pour échanger des informations. Schématiquement, nous pouvons le représenter de la manière suivante :
Dans ce schéma, nous pouvons distinguer les principaux éléments qui interviennent dans l’exploitation et la gestion de l’information :
La première chose qu’une carte mère doit faire avant de charger le système d’exploitation à partir du disque dur est d’initialiser les composants. Le programme situé dans le BIOS est chargé de vérifier tous les périphériques qui lui sont connectés : CPU, RAM et disques durs de manière basique. Si l’un d’entre eux est manquant, cassé ou détecte d’autres anomalies, la carte mère émet un code d’erreur sous forme de bips ou un code sur un panneau de LED situé sur la carte mère.
Une fois l’étape de vérification passée, le bus interne est chargé d’informations provenant des unités de stockage. Cela concerne à la fois le pont sud (s’il existe) et le pont nord.
Après avoir demandé des informations aux disques durs, aux périphériques d’entrée/sortie et à d’autres composants, le pont nord relie le processeur à la mémoire vive. Cela se fait par le biais du Front Side Bus (FSB). Il s’agira de 64 threads ou 64 + 64 si la technologie à double canal est mise en œuvre.
Dans tous les cas, les données du système d’exploitation seront déjà chargées en mémoire pour le démarrage de l’ordinateur.
Simultanément, le pont nord enverra les signaux graphiques à la carte graphique, installée dans un emplacement CPI-E x16 qu’il gère directement. Ou bien il se connectera à la carte graphique installée sur la carte mère elle-même. Cela se fait via le bus FSB.
Dans les deux cas, l’ordinateur démarre et l’échange de données pour le traitement est assuré par les éléments connectés au bus et au chipset.
Conclusion finale et attentes concernant ce qu’est une carte mère
Si une chose est devenue claire pour nous, c’est qu’il est de plus en plus difficile d’expliquer le fonctionnement des composants d’un ordinateur de manière simplifiée. La technologie progresse à un rythme incroyable et les éléments deviennent de plus en plus complexes et ont des fonctionnalités de plus en plus complexes.
Au rythme où vont les choses, la barrière des 5 nm sera probablement atteinte dans très peu de temps et nous verrons ce que les grandes entreprises proposeront pour aller plus loin.
En ce qui nous concerne, nous nous réjouissons de ces avancées, avec des équipements de plus en plus rapides et complexes, à un prix soutenu si l’on s’oriente vers des composants de milieu de gamme qui sont aussi très bons.
Nous espérons qu’avec cet article, vous en avez appris davantage sur les composants d’une carte mère et son fonctionnement de base. Si vous avez des doutes, des clarifications ou des erreurs, n’hésitez pas à nous contacter.
