Architecture des ordinateurs
Dominique PRESENTI.U.T. de Marne la Vallée
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Le coeur d ’un ordinateur : l’U.C.
• L ’unité centrale– Carte mère– processeur– mémoire– disque dur– carte graphique– lecteur de CD-ROM et
DVD– carte son
• moniteur• les périphériques
– imprimante– scanner
type, fréquence du bus (MHz)type, fréquence horloge (MHz)type, capacité (Mo)capacité (Go)type, capacité mémoire (Mo)
débit (Nx64Kb/s)
taille écran (diagonale), définition (pitch)
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la carte mère : des connecteurs pour composants
1-5 connecteurs (cartes) 3-4 socket, chipset 9 ports E/S2 mémoire vive 7-8 connecteurs (lecteurs) 6 ROM (BIOS)
1
7
823
4
5
6
9
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Des composants reliés par bus
bus
µP
RA
MOS
contrôleur de disque
ROMclavier
Disque dur
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Tout est dans la RAM
bus
µP
RA
MOS
disquecontrôleur de disque
12 3
3 - lecture des instructions à exécuterLes informations empruntent plusieurs bus de liaison successifs :
• bus disque controleur• bus controleur processeur• bus processeur mémoire
1 - lecture d ’une partie du programme sur le disque dur2 - copie en RAM
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Le processeur : la guerre des fréquences
marque AMD Intel Intel
Processeur Athlon 64 FX Pentium 4 570J Pentium 4 EE
Support 754/939 775/939/754 775
F processeur 2,8GHz 3,8GHz 3,46GHz
F bus (MHz) 200 4x201 4x266
Cache L1 64Ko+64Ko 16Ko 8Ko
Cache L2 1024Ko 1024Ko 512Ko
Cache L3 2048Ko Cache L2
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Le processeur : fréquences + caches
marque AMD Cyrix Intel
Processeur Athlon 64FX MII 300 Pentium 4
Support Socket 939 Socket 7 FCLGA775
F (MHz) 2600 266 3600
F bus (MHz) 3200/200 66 6400/800
Cache L1 64Ko+64Ko 64Ko 4Ko+4Ko
Cache L2 1024Ko 1Mo max 1024Ko
Gravure 0.13 0.35 0.13
Alim (V) 1,5V 2.9Cache L2
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Le processeur : temps de calcul
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Le processeur : tests vidéo
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A chaque processeur son socket
Socket 478 Celeron D 3xx
Intel Socket 479 Celeron M ; Pentium M
LGA 775 Celeron D 3xx J et Celeron D 3xy (avec y=1 ou 6) Pentium 4 5xx et 6xxPentium D
Socket 754 Sempron 3100+ et 3300+Athlon 64 2800+ à 3700+ (cores Newcasttle et Clawhammer)
AMD Socket 939 Athlon 64 3000+ à 4000+ (cores Newcasttle, Winchester, Venice, clawhammer, San Diego)Athlon X2 3800+ à 4800+ (cores Manchester et Toledo)Athlon FX (Cores Clawhammer et San diego)
Le choix du processeur induit celui:du socket du chipset de la carte mère
Le choix du processeur induit celui:du socket du chipset de la carte mère
socket processeur
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La mémoire cache : 2 niveaux
• Une mémoire RAM dédiée au processeur ;• Sert de mémoire tampon pour les stocker des instructions
du programme à exécuter ;• la mémoire cache de niveau 1 est implantée dans le
processeur ;• la mémoire cache de niveau 2, de type SRAM est
implantée :• Sur le socket du processeur (horloge processeur)• Sur le bus processeur (horloge à 100MHz)
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Bus PC
I
Bus PC
I
La mémoire cache de niveau 2
Mémoirecache
chipset
Bus processeur
processeur
chipset
Bus processeur
processeur Mémoirecache
Mémoire cachesur bus processeur
Mémoire cachesur chipset processeur
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Performance des mémoires cache
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Bus PC
I
3 horloges au moins
chipset
Bus processeur
processeur Mémoirecache
Horl µP
Horl B.P.
Horl Bus
• horloge interne du processeur :• de 400MHz à 6,4GHz• pilote la mémoire cache (par division de fréquence)
• horloge du bus processeur :• fréquence typique de 100/800MHz• pilote les échanges avec le chipset• intégrée à la carte mère
• horloge du bus PCI :• pilote le chipset pour générer les fréquences de commande des bus• le chipset gère les échanges de données avec les cartes connectées sur la carte mère
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Bus PC
I
Le chipset maître des bus
chipset
Bus processeur
processeur Mémoirecache
Horl µP
Horl B.P.
Horl Bus Intel 440BX
RAM 100MHz
33/133MHz
Contrôleurde disque
Carteson
Bus AGP 66/266MHzCartevidéo
bus F (MHz) Largeur (bits)
Débit (Mo/s)
PCI 33 32 133 AGP 66 32 264
AGP 8x 266 32 2130
PCI-Express : 1/32 voies - 250Mo/s/voiePCI-Express : 1/32 voies - 250Mo/s/voie
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A chaque processeur son chipset
Céléron D i865
Intel Pentium 4 i915, 925, 945 et 955 d’IntelnForce 4 SLI de Nvidia
Sempron nForce 2 ou VIA de Nvidia
AMD Athlon 64 nForce 3 ou 4 de NvidiaXpress 200P d’ATI
• Le choix du chipset induit celui de la RAM• Certains chipset intègrent :
• un contrôleur audio AC97• un contrôleur Ethernet• un port PCI-Express• un FireWall matériel• un contrôleur RAID
• Le choix du chipset induit celui de la RAM• Certains chipset intègrent :
• un contrôleur audio AC97• un contrôleur Ethernet• un port PCI-Express• un FireWall matériel• un contrôleur RAID
processeur chipset
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La mémoire RAMLa mémoire vive (Random Access Memory) est
définie par :• le cycle de lecture/écriture (ns) ;• la largeur du bus (bits) ;• la capacité (Mo)
Quatre types :• SDRAM – 133MHz (temps d’accès 7,5ns) – 8 octets – 1Go/s• DDR SDRAM - 133MHz à 400MHz – 8 octets – 3,2Go/s• DDR2 SDRAM – 2x(133MHz-400MHz) – 8 octets – 6,4Go/s• Rambus RD-RAM - 1.25ns pour 2 octets - 1.6Gb/s par canal - 4 canaux
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La DDR2-SDRAM double le débitMémoire Appellation Fréquence
(RAM)Fréquence
(FSB) Débit
DDR266 PC2100 266 MHz 133 MHz 2,1 Go/s
DDR466 PC3700 466 MHz 233 MHz 3,7 Go/sDDR550 PC4400 550 MHz 275 MHz 4,4 Go/s
DDR2-533 PC2-4300 533 MHz 133 MHz 4,3 Go/sDDR2-667 PC2-5300 667 MHz 167 MHz 5,3 Go/sDDR2-800 PC2-6400 800 MHz 200 MHz 6,4 Go/s
Tout est dans le timing : le SPD (Serial Presence Detect) permet au BIOS de connaître les valeurs nominales de réglage. La notation du type 3-2-2-2 ou 2-3-3-2 décrit la synchronisation de la mémoire (en anglais timing), en cycles d'horloge nécessaires pour accéder à une donnée :
• CAS delay (Column Address Strobe) : nb. de cycles pour l'accès à une colonne• RAS Precharge Time (Row Address Strobe) : nb. de cycles entre deux accès ligne• RAS to CAS delay : nb. de cycles pour passer d'une ligne à une colonne• RAS active time : nb. de cycles d'accés à une ligne.
Il s'agit d'une EEPROM lue par le BIOS si l'utilisateur choisi le réglage « auto ».
Tout est dans le timing : le SPD (Serial Presence Detect) permet au BIOS de connaître les valeurs nominales de réglage. La notation du type 3-2-2-2 ou 2-3-3-2 décrit la synchronisation de la mémoire (en anglais timing), en cycles d'horloge nécessaires pour accéder à une donnée :
• CAS delay (Column Address Strobe) : nb. de cycles pour l'accès à une colonne• RAS Precharge Time (Row Address Strobe) : nb. de cycles entre deux accès ligne• RAS to CAS delay : nb. de cycles pour passer d'une ligne à une colonne• RAS active time : nb. de cycles d'accés à une ligne.
Il s'agit d'une EEPROM lue par le BIOS si l'utilisateur choisi le réglage « auto ».
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Les bus du Pentium4
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Choisir une carte mère constructeurs
réf processeur chipset FSBus (MHz)
mémoire Bus AGP
Controleur
Asus P4PE Pentium4 845PE/ICH4 400 3x DDR SDRAM
4x 2UltraDMA-33/100
Asus P4S800 Pentium4 648FX/963L 400/800 3x DDR SDRAM
8x 2UltraDMA-33/133
Asrock P4VT8 Pentium4 VIA PT800 533/800 3x DDR SDRAM
4x/8x 2ATA- 33/133
Asus A7V266 Athlon XP VIA KT266 200/266 2x DDR SDRAM
2x/8x 2UltraDMA-66/133
Asus A7V600 Athlon XP VIA KT600 200/400 3x DDR SDRAM
8x 2UltraDMA-100/133 2ATA RAID1
MSI KT4AV Athlon XP VIA KT400 200/333 DDR-SDRAM
4x/8x UltraDMA-66/133
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Controleurs de périphériquesSystème EIDE/ATA
33Mo/s à 160Mo/s
disque scannerCd-rom
Contrôleur
Système SCSI
20Mo/s à 160Mo/s
disque scannerCd-rom
Contrôleur
1 à 4 périphériques 1 à 15 périphériquestype Débit type Débit EIDE/UltraDMA-33 33Mo/s Ultra SCSI 20Mo/s EIDE/UltraDMA-66 66Mo/s Wide Ultra SCSI 40Mo/s EIDE/UltraDMA-100 100Mo/s Ultra 2 SCSI LVD 80Mo/s EIDE/Ultra ATA 160Mo/s Ultra 320 SCSI-3 320Mo/s
L’interface serial ATA permet des débits de 150Mo/s à 600Mo/s avec l’ATA IIL’interface serial ATA permet des débits de 150Mo/s à 600Mo/s avec l’ATA II
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Organisation d ’un disque dur
Support magnétique
Tête de lecture/écriture
secteur
piste
Empilement de pistes
Piste 0 pour le répertoire (FAT, NTFS)
L ’empilement de secteurs constituent un bloc (4Ko par défaut)
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Ecriture sur disque durLe formatage consiste à créer les pistes, les secteurs et le répertoire en piste 0
Sensde rotation2-un pointeur vers le 1er secteur
libre est mémorisé
1-A sa création, le nom du fichier et ses caractéristiques sont inscrits dans le répertoire
3-le fichier est écrit par bloc de 4Ko (valeur par défaut)
4-le bloc contient un pointeur vers le bloc libre suivant
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Les performances des disques dursSeagate18LP
SeagateX15
WD183F
Seagatebaracuda
WDCaviar
Capacité(Go) 18.2 18.4 18.3 20.4 20
interface Ultra2/160 CSI
Ultra160SCSI
Ultra2SCSI
UltraATA
UltraATA
Débit int. (Mb/s) 193-308 395-492 364
Débit ext. (Mb/s) 80/160 160/200 80 100 100
Tempsd’accès(ms)
2.99 2 2.99 4.16 4.2
Rotation (T/mn) 10K 15K 10K 7.2K 7.2K
Mémoire (Mo) 4 16 2 2 2
Discs/têtes 6/12 5/10 4/8 2/4
Octets/secteur 512 512 512 512 512
Taux d’erreur 10-15 10-15 10-14 10-14 10-14
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Le lecteur CD-ROM
Diode laser
prisme
Lentille convergente
Couche réfléchissante
Diode photosensible
Faisceau laser sur 780nm
• La présence de cuvettes plus ou moins profondes provoque une différence de réflectivité ;• la diode photosensible transforme la différence de luminosité du faisceau réfléchi en signal électrique
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Le graveur de CD-ROM
Diode laser
prisme
Lentille convergente
Couche réfléchissante
Diode photosensible
Faisceau laser de longueur d ’onde variable
Couche diélectrique
Couche d ’enregistrement
• La variation de longueur d ’onde du faisceau modifie la température de la couche d ’enregistrement ;• à la lecture, la couche d ’enregistrement laissera passer plus ou moins le faisceau ce qui modifiera l ’intensité du faisceau réfléchi.
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Le lecteur DVD
Diode laser
prisme
Lentille convergente
Diodes photosensibles
Faisceau laser sur 780nm
• Les lecteurs utilisent 2 faisceaux laser à 780nm et 635/650nm ;• la 1ère couche gravées est semi-réfléchissante ;• chaque faisceau lit une couche ;• la capacité peut atteindre 9.4Go.
Faisceau laser sur 635/650nm
Couche réfléchissante
Couche de polycarbonate
Couche semi réfléchissante
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CD-ROM : les caractéristiques
Pistes : 1,6µ de large pour 1,12µ de profondeur séparées de 3,56µ
Temps d’accès : 70ms à 240ms en moyenneMémoire cache : 128Ko à 256KoVitesse de lecture: 1x à 52x 153Ko/s de débitInterface : IDE ou SCSI
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Se retrouver dans la terminologieLes standards :• CD-R (Compact Disc Recordable) d ’une capacité de 650Mo ;• CD-RW (Compact Disc Recordable & Rewritable) peut être gravé un
millier de fois ;• DVD-Rom (Digital Versatile Disc) de capacité 6 fois supérieure à un CD-
Rom, utilisé pour stocker de gros volumes de données ;• 2 formats pour les DVD ré-inscriptibles :
– DVD-R/DVD-RW du DVD Forum utilisent un format proche des CD ;– DVD+R/DVD+RW porté par Sony au sein de la DVD+RW Alliance
autorise une correction d’erreur• DVD-Vidéo sert au stockage des films à une capacité de 4.7Go par couche :
– DVD-9 - simple face/double couche – capacité 8.5Go ;– DVD-10 - double face/simple couche – capacité 9.4Go ;– DVD-17 - double face/double couche – capacité 18Go
Les caractéristiques :• multisession est une méthode d ’écriture en plusieurs fois (14Mo à chaque fois) ;• Temps d ’accès est le temps moyen nécessaire pour atteindre une donnée ;• 24x est le débit théorique de lecture/écriture en multiples de 153Ko/s.
Les caractéristiques :• multisession est une méthode d ’écriture en plusieurs fois (14Mo à chaque fois) ;• Temps d ’accès est le temps moyen nécessaire pour atteindre une donnée ;• 24x est le débit théorique de lecture/écriture en multiples de 153Ko/s.
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Les bus externes se diversifient
• 4 types : – port parallèle (Lpt) : imprimantes ; scanners– port série (Com) : modem ; synchronisation de PC– USB : claviers ; joystick ; caméras– FireWire : vidéo
Carte FireWire Extension USB
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Les bus externes autorisent le haut débit
IEE1394-A FIREWIRE
IEE1394-B FIREWIRE 2
USB 1 USB 2
PORT SERIE
Débit max (Mb/s) 12/50 100/400 1.5/12 30-480 0,128
Nb de périphériques 1023 * 63 127 1/0.port
Lg du câble (m) 4.5 5 50-1K
connexion Hot-plug² Hot-plug
connecteur 4 broches 6 broches 4 broches types A ou B DB 9 ou DB25
remarques Modes de transmission asynchrones ou isochrones1
Auto- alimentation (limitée à 100mA)
1 transmission isochrone : assure un débit constant approprié au données audio et vidéo
2 Hot-plug : procédure autorisant la connexion à chaud (mais pas la déconnexion à chaud)
USB Universal Serial Bus
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Firewire : connectique et protocole
Protocoles • adressage sur 16 bits (pont sur 10 bits + périphérique sur 6 bits) autorisant jusqu’à 65535 périphériques• Modes :
• asynchrone de type send & wait donnant un débit variable • isochrone sans accusé de réception donnant un débit constant
• Transfert de données en mode asynchrone :• fonction arbitrage pour le contrôle du bus (droit à émettre)• fonction transmission des données• fonction acquittement
Connecteurs 1394-a
531642
1 + 24VmasseSignal B-
23
4 Signal B+Signal A-Signal A+
56
4 119951995 2000 « mini-DV »2000 « mini-DV »
Connecteurs 1394-b
bilingualbilingual bêtabêta
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USB : connectique et connexion
Connection à chaud (Hot plug) :• le hub détecte l’ajout d’un périphérique par le changement de tension entre les fils « signal+ » et « signal- »• le hub envoie un signal d’initialisation pendant 10ms (le périphérique est alors alimenté)• le hub interroge les anciens périphériques pour connaître leur identifiant• le périphérique envoie ses caractéristiques (nom, type, version)• l’ordinateur charge le pilote correspondant
Déconnexion à froid :Attention : une déconnexion à chaud peut détériorer les composants
• désactiver le périphérique (icône « éjecter le matériel » dans la barre d’outils)• Attendre le message « le périphérique peut maintenant être enlevé en toute sécurité »
Connecteurs 1 + 5VSignal+Signal-
234 masse
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USB : protocole maître-esclave
Protocole de type maître-esclave par scrutation :• l’ordinateur interroge toutes les millisecondes un périphérique connecté• chaque périphérique interrogé indique s’il a ou non des données à transmettre• l’ordinateur envoie un paquet de commande indiquant le type et l’identifiant du périphérique autorisé à émettre• le périphérique procède à l’envoi de son ou ses paquets de données• l’ordinateur acquitte les données reçues
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Bluetooth (802.15) : périphériques sans fils
• Bluetooth : une technologie radio pour des transmissions courtes distances :– composants économiques (5 Euros) à faible consommation (100mW à
100m) ;– canaux libres de droits (2,4 GHz - 2,4835GHz plage d'environ 1 MHz) ;
• débits importants : 1 Mb/s ;• communication de 80 périphériques :
– réseaux « piconet » de 8 périphériques max de type « Maître-esclave » ;– interconnexion possible de 10 réseaux ;– chaque périphérique est identifié par une adresse ;
Assistantpersonnel
ClavierSouris
Ordinateur
Réseau « maître-esclave » :Le maître interrogeles esclaves l ’unaprès l ’autre
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Bluetooth : un protocole maître-esclave
ClavierOrdinateur
Le maître cherche un esclave1,28s/2,56s
L’esclave envoie son identifiantSynchronisation sur une fréquence Acquittement par l’esclave
2e Acquittement par l’esclave
Le maître interroge l’esclave
L’esclave envoie ses données
625µs
Établissement de la connexion
Echange de données
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Bluetooth : un protocole maître-esclave
Clavier
Ordinateur
625µs
Souris
Exemple d’échange de donnéesExemple d’échange de données
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Installation : logiciels puis périphérique
Etape 1 : installer les logiciels fournis avec le périphérique ;Etape 2 : éteindre l’ordinateur ;Etape 3 : allumer le périphérique « Bluetooth puis l’ordinateur.Cet icône apparaît, etl’assistant démarre.
Etape 1 : installer les logiciels fournis avec le périphérique ;Etape 2 : éteindre l’ordinateur ;Etape 3 : allumer le périphérique « Bluetooth puis l’ordinateur.Cet icône apparaît, etl’assistant démarre.
Etape 4 : la carte Bluetoothdétecte le périphérique ;Etape 6 : l’assistant va établir le lien avec le périphérique (appairage). Cet appairage peut utiliser une clé de sécurité choisie par l’utilisateur ou imposée par le périphérique
Etape 4 : la carte Bluetoothdétecte le périphérique ;Etape 6 : l’assistant va établir le lien avec le périphérique (appairage). Cet appairage peut utiliser une clé de sécurité choisie par l’utilisateur ou imposée par le périphérique
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Une clé de sécurité pour l’appairage
Périphérique à appairer
Saisir les chiffres de la clé
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La carte graphiqueUn processeur + de la mémoire + RAMDAC
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La carte graphique• La mémoire vidéo :
VRAM (VideoRAM) à double accèsSDRAM (Synchronous Dynamic RAM) DDR SDRAM à double accès (lecture/écriture)
Le RAMDAC :Transforme les données mémorisées en signaux d’affichage vidéo
• L’accélérateur graphique :Gère l’affichage des fenêtres sous windowsExécute les fonctions de la Graphic Device Interface
• Le bus vidéo :AGP (Accelerated Graphic Port) pour les cartes graphiques 3D
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La 3D : un maillage de polygones courbes
Plus le maillage est fin, plus la forme est précise, plus les calculs sont nombreux
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Le GPU : une chaîne de calculs complexes
• L’interpolation des polygones pour augmenter la granularité• Les calculs de déformation des polygones assurés par le vertex pipeline• Traitements avant affichage comme l’élimination des parties cachées (clipping) et la construction des primitives (tramage)• Le traitement des pixels pour l’obtention de la texture (pixel pipeline)
• L’interpolation des polygones pour augmenter la granularité• Les calculs de déformation des polygones assurés par le vertex pipeline• Traitements avant affichage comme l’élimination des parties cachées (clipping) et la construction des primitives (tramage)• Le traitement des pixels pour l’obtention de la texture (pixel pipeline)
Le traitement des données nécessite une chaîne de calculs utilisant :
• les informations liées aux polygones (les primitives)
• Les vecteurs constitutifs des polygones (les vertices)
Le traitement des données nécessite une chaîne de calculs utilisant :
• les informations liées aux polygones (les primitives)
• Les vecteurs constitutifs des polygones (les vertices)
Chaîne de traitement graphique (www.matbe.com)Chaîne de traitement graphique (www.matbe.com)
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La carte graphique F µP mémoire Bus AGP Connecteur
vidéo/DVI OpenGL
Nvidia Geforce 6800GT
350MHz 256Mo GDDR3
8x 32Go/s
Oui/oui oui
Nvidia GeForce4 Ti
300MHz 256Mo DDR
8x (10,4Go/s)
Oui/oui oui
ATI Radéon X1800
625MHz 512Mo GDDR3
8x 48Go/s
Oui/oui oui
ATI Radeon 9800XT
412MHz 256Mo DDR
8x 23,4Go/s
Oui/oui oui
Evolution des cartes graphiques :• multiplication des processeurs graphiques (jusqu’à 8 actuellement)• parallélisme des calculs (pixels pipelines et vertex pipelines)• intégration d ’un tuner pour recevoir les chaînes de télévision ;• intégration d ’un décodeur MPEG2 pour la visualisation de vidéo