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Carte mère

Février 2015

Définition





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 de l'ensemble des éléments essentiels de l'ordinateur.

Comme son nom l'indique, la carte mère est une carte maîtresse du PC sur laquelle vient se connecter différents composants essentiels, comme le processeur, la RAM, le disque dur ou le SSD, la carte graphique,...
C'est essentiellement un circuit imprimé multicouche parcouru par des centaines de pistes, reliant et alimentant les connecteurs et les composants électroniques spécifiques, destiné à interconnecter les éléments amovibles tel que le CPU, la RAM, la carte graphique,...

La mère est fixée au boîtier par des entretoises qui assurent un écart de quelques millimètres entre la face inférieure du circuit imprimé et le châssis métallique, pour éviter tout contact de la face inférieure de la carte mère avec le boitier.
Les positions des trous de montage sont standardisées en fonction des différentes tailles de cartes mères, de facon à permettre l'installation de la carte mère dans des boîtiers de divers fabricants.

Caractéristiques


Il existe plusieurs façons de caractériser une carte mère, notamment selon les caractéristiques suivantes :


Facteur d'encombrement


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 exigûes telles que les mini-PC. Il existe deux principaux formats ITX :
    • mini-ITX, avec des dimensions minuscules (170x170 mm) et un emplacement PCI ;
    • nano-ITX, avec des dimensions extrêmement minuscules (120x120 mm) et un emplacement miniPCI.

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 formeDimensions Emplacements
ATX305 mm x 244 mm AGP / 6 PCI
microATX244 mm x 244 mm AGP / 3 PCI
FlexATX229 mm x 191 mm AGP / 2 PCI
Mini ATX284 mm x 208 mm AGP / 4 PCI
Mini ITX170 mm x 170 mm 1 PCI
Nano ITX120 mm x 120 mm 1 MiniPCI
BTX325 mm x 267 mm 7
microBTX264 mm x 267 mm 4
picoBTX203 mm x 267 mm 1

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,...),
  • L'horloge et la pile du CMOS,
  • 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 :


Le chipset


Le chipset (traduisez jeu de composants ou jeu de circuits ou jeu de puces ) est un circuit électronique chargé de coordonner 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.

Les chipsets des cartes-mères actuelles intègrent généralement une puce graphique et presque toujours une puce audio, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire d'installer une carte graphique ou une carte son. Ces cartes intégrées sont maintenant presque toujours de bonne qualité et il n'est en général pas nécessaire de les désactiver dans le setup du BIOS, même si on veut installer des cartes d'extension de meilleure qualité dans les emplacements prévus à cet effet ; le simple fait de mettre en place une carte d'extension suffisant pour désactiver la carte intégrée. (Février 2011)

L'horloge et la pile du CMOS


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, 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 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 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.

Le « complémentary metal-oxyde semiconductor », est une technologie de fabrication de transistors, précédée de bien d'autres, telles que la TTLTransistor-transistor-logique »), la TTLS (TTL Schottky) (plus rapide), ou encore le NMOS (canal négatif) et le PMOS (canal positif).

Le CMOS a permis de mettre des canaux complémentaires sur une même puce. Par rapport à la TTL ou TTLS, le CMOS est beaucoup moins rapide, mais a consomme en revanche infiniment moins 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 !

Le BIOS


Le BIOS (Basic Input/Output System) est le programme basique servant d'interface entre le système d'exploitation et la carte mère. Le BIOS est stocké dans une ROM (mémoire morte, c'est-à-dire une mémoire en lecture seule), ainsi il utilise les données contenues dans le CMOS pour connaître la configuration matérielle du système.

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 (généralement la touche Suppr. En réalité le setup du BIOS sert uniquement d'interface pour la configuration, les données sont stockées dans le CMOS. Pour plus d'informations n'hésitez pas à vous reporter au manuel de votre carte mère).

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 800 MHz effectuera grossièrement 800 millions 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
  • 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 version 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.

Ventirad


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 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).

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. Elle possède en effet un temps de réponse de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes (environ 70 pour la DRAM, 60 pour la RAM EDO, et 10 pour la SDRAM voire 6 ns sur les SDRam DDR) contre quelques millisecondes pour le disque dur.

La mémoire vive se présente sous la forme de barrettes qui se branchent sur les connecteurs de la carte mère.

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 ISA (Industry Standard Architecture) : permettant de connecter des cartes ISA, les plus lentes fonctionnant en 16-bit
  • Connecteur VLB (Vesa Local Bus): Bus servant autrefois à connecter des cartes graphiques
  • Connecteur PCI (Peripheral Component InterConnect) : permettant de connecter des cartes PCI, beaucoup plus rapides que les cartes ISA et fonctionnant en 32-bit
  • Connecteur AGP (Accelerated Graphic Port): un connecteur rapide pour carte graphique.
  • Connecteur PCI Express (Peripheral Component InterConnect Exress) : architecture de bus plus rapide que les bus AGP et PCI.
  • Connecteur AMR (Audio Modem Riser): ce type de connecteur permet de brancher des mini-cartes sur les PC en étant équipés


Carte PCI

Les connecteurs d'entrée-sortie


La carte mère possède un certain nombre de connecteurs d'entrées-sorties regroupés sur le « panneau arrière ».

Connecteurs sur le panneau arrière


La plupart des cartes mères proposent les connecteurs suivants :

  • Port série, permettant de connecter de vieux périphériques ;
  • Port parallèle, permettant notamment de connecter de vieilles imprimantes ;
  • Ports USB (1.1, bas débit, ou 2.0, haut débit), permettant de connecter des périphériques plus récents ;
  • 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 ;
  • Connecteur VGA (appelé SUB-D15), permettant de connecter un écran. Ce connecteur correspond à la carte graphique intégrée ;
  • Prises 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.

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