VESA Local Bus (VLB) |
VESA |
|---|---|
| Architecture | |
Introduction
Le VESA Local Bus, généralement appelé VL-Bus ou VLB, est une architecture de bus d'extension 32 bits introduite en 1992 par la Video Electronics Standards Association (VESA). Elle est développée principalement pour améliorer les performances des périphériques nécessitant une bande passante beaucoup plus importante que celle offerte par le bus ISA, notamment les cartes graphiques. Le VLB devient ainsi l'une des technologies caractéristiques des ordinateurs personnels équipés de processeurs Intel 80486 au début des années 1990.
Le principe du VLB consiste à rapprocher les périphériques rapides du bus local du processeur. Contrairement à ISA, limité par une fréquence relativement faible et une largeur de 16 bits dans sa version la plus évoluée, le VLB exploite un chemin de données de 32 bits fonctionnant généralement à la fréquence du bus externe du 486. Une machine équipée d'un 486DX à 33 MHz peut ainsi disposer d'un VLB fonctionnant à 33 MHz et atteindre un débit théorique maximal d'environ 133 Mo/s.
Le VLB est étroitement lié à l'architecture du Intel 80486, dont il reprend directement de nombreux signaux. Cette conception présente l'avantage d'être relativement simple et économique à mettre en ouvre, mais elle constitue également sa principale faiblesse. L'augmentation des fréquences, l'installation de plusieurs cartes VLB et l'arrivée de nouvelles architectures de processeurs compliquent considérablement la gestion électrique et la synchronisation du bus.
Pendant sa courte période de popularité, le VLB n'est pas réservé aux cartes graphiques. Des contrôleurs IDE, SCSI, cartes réseau et cartes multifonctions sont également commercialisés dans ce format. Toutefois, l'arrivée du PCI, mieux adapté à plusieurs architectures de processeurs et disposant d'une conception plus évolutive, entraîne rapidement le déclin du VLB au milieu des années 1990.
Spécifications
| Spécification | Description |
|---|---|
| Nom complet | VESA Local Bus |
| Abréviations | VLB, VL-Bus |
| Organisme | Video Electronics Standards Association (VESA) |
| Introduction | 1992 |
| Type | Bus local d'extension parallèle |
| Largeur des données | 32 bits |
| Architecture principale | Directement dérivée du bus local du 80486 |
| Fréquence typique | 25, 33 ou 40 MHz selon la plateforme |
| 50 MHz | Prévu par les temporisations VLB 2.0, mais beaucoup plus exigeant électriquement |
| Débit à 25 MHz | 100 Mo/s théoriques |
| Débit à 33 MHz | 133 Mo/s théoriques |
| Débit à 40 MHz | 160 Mo/s théoriques |
| Débit à 50 MHz | 200 Mo/s théoriques |
| Nombre de cartes | Généralement 1 à 3, selon fréquence et charge électrique |
| Bus associé | Le plus souvent ISA 16 bits |
| Applications principales | Vidéo, IDE, SCSI, réseau, contrôleurs multifonctions |
| Successeur principal | PCI |
La spécification VLB 2.0 définit explicitement des paramètres de temporisation pour 33, 40 et 50 MHz.
Contexte historique
Au début des années 1990, le bus ISA 16 bits reste extrêmement répandu dans les ordinateurs compatibles IBM PC.
ISA convient parfaitement à de nombreux périphériques relativement lents :
- modem ;
- carte son ;
- port série ;
- port parallèle ;
- carte réseau relativement lente.
Les nouvelles interfaces graphiques représentent cependant un problème.
L'arrivée de Windows et des interfaces graphiques augmente fortement la quantité de données devant circuler entre :
| processeur ↔ mémoire ↔ carte graphique |
Le bus ISA devient alors un important goulot d'étranglement.
Le principe du « Local Bus »
L'idée du bus local consiste à permettre à certains périphériques rapides d'accéder à une liaison beaucoup plus proche du processeur.
Au lieu de suivre uniquement :
| CPU ← chipset ← bus ISA ← carte graphique |
on cherche à obtenir une liaison ressemblant davantage à :
| CPU / bus local → carte graphique |
Le périphérique bénéficie ainsi d'une bande passante beaucoup plus importante.
Le VLB standardise cette approche pour les compatibles PC, alors que plusieurs constructeurs avaient auparavant développé leurs propres solutions de bus local.
Architecture 32 bits
Le VLB utilise un chemin de données de :
- 32 bits
Cette largeur correspond bien à l'architecture externe du 80486.
À chaque cycle, le bus peut donc théoriquement transporter quatre octets.
À 33,33 MHz :
| 4 octets × 33,33 millions de cycles/s ≈ 133 Mo/s |
Il s'agit cependant d'une valeur théorique maximale. Les transactions réelles comportent des cycles d'adressage, des attentes et différents protocoles de contrôle réduisant le débit réellement observable.
Fréquence du bus
Le VLB est étroitement associé à la fréquence externe du processeur 486.
On rencontre notamment :
| Processeur | Bus externe typique | VLB |
|---|---|---|
| 486SX-25 | 25 MHz | 25 MHz |
| 486DX-33 | 33 MHz | 33 MHz |
| 486DX2-50 | 25 MHz | 25 MHz |
| 486DX2-66 | 33 MHz | 33 MHz |
| 486DX-40 | 40 MHz | 40 MHz |
| 486DX2-80 | 40 MHz | 40 MHz |
| 486DX4-100 | 33 MHz | 33 MHz |
Il est important de comprendre la différence entre la fréquence interne du processeur et celle de son bus externe.
Ainsi, un 486DX2-66 fonctionne intérieurement à 66 MHz, mais son bus externe reste à environ 33 MHz. Le VLB associé fonctionne donc normalement à 33 MHz, et non à 66 MHz.
Débits théoriques
La formule simplifiée est :
| Débit = largeur en octets × fréquence |
Puisque VLB possède une largeur de 32 bits :
| 32 bits = 4 octets |
On obtient :
| Fréquence | Débit théorique |
|---|---|
| 25 MHz | 100 Mo/s |
| 33 MHz | ≈ 133 Mo/s |
| 40 MHz | 160 Mo/s |
| 50 MHz | 200 Mo/s |
Ces valeurs représentent des maxima théoriques et ne doivent pas être confondues avec le débit utile réellement obtenu par une carte.
Connecteur VLB
Le connecteur VLB est particulièrement facile à reconnaître.
Sur les cartes mères courantes de l'époque, il ressemble essentiellement à :
| connecteur ISA 16 bits + extension VLB |
L'extension est placée dans le prolongement du connecteur ISA.
Une carte VLB est donc beaucoup plus longue au niveau de son connecteur qu'une carte ISA traditionnelle.
Cette conception permet au périphérique d'utiliser les fonctions traditionnelles du bus ISA tout en disposant du chemin VLB rapide pour certaines transactions.
Relation avec ISA
VLB ne remplace pas nécessairement ISA.
Les deux technologies fonctionnent généralement ensemble.
Une carte mère 486 typique peut ainsi proposer :
- plusieurs emplacements ISA ;
- un ou deux emplacements VLB ;
- parfois trois emplacements VLB.
Les emplacements VLB sont principalement réservés aux périphériques nécessitant beaucoup de bande passante.
Les autres périphériques continuent d'utiliser ISA.
Cartes graphiques VLB
La carte graphique constitue l'application emblématique du VLB.
Au début des années 1990, les interfaces graphiques comme Windows nécessitent de déplacer rapidement des quantités croissantes de données vers la mémoire vidéo.
Les cartes graphiques ISA deviennent donc une limitation importante.
De nombreux contrôleurs graphiques sont proposés sur des cartes VLB, notamment autour de circuits provenant de fabricants comme :
- S3 ;
- Cirrus Logic ;
- Tseng Labs ;
- ATI ;
- Weitek ;
- Trident.
Le VLB permet alors d'obtenir des performances graphiques nettement supérieures à celles d'une configuration ISA traditionnelle.
Contrôleurs IDE VLB
Les contrôleurs de disques représentent une autre utilisation très populaire.
De nombreuses cartes dites :
- VLB Multi-I/O
regroupent plusieurs contrôleurs, par exemple :
- IDE ;
- lecteur de disquettes ;
- ports série ;
- port parallèle ;
- parfois port de jeu.
L'utilisation du VLB pour les transferts IDE permet d'améliorer les performances par rapport à certains contrôleurs utilisant uniquement ISA.
Contrôleurs SCSI
Des contrôleurs SCSI VLB ont également été commercialisés.
Le SCSI étant fréquemment utilisé avec des disques durs rapides et dans des systèmes professionnels, la bande passante supplémentaire du VLB pouvait être particulièrement intéressante.
Cartes réseau
Les cartes réseau VLB sont beaucoup moins courantes que les cartes graphiques et contrôleurs d'entreposage.
Elles existent néanmoins.
Pour les réseaux Ethernet classiques de l'époque, la bande passante ISA pouvait souvent être suffisante, ce qui rendait le passage au VLB moins indispensable que pour la vidéo ou l'entreposage.
Nombre de cartes VLB
L'une des principales limitations du VLB concerne le nombre de périphériques pouvant être installés.
Puisque les cartes sont très directement connectées au bus local du processeur, chacune ajoute une charge électrique.
Plus la fréquence augmente, plus cette contrainte devient importante.
C'est pourquoi les cartes mères VLB possèdent généralement seulement :
- 1, 2 ou 3 emplacements VLB
contre souvent davantage d'emplacements ISA.
Limitations électriques
Le VLB est beaucoup plus sensible aux problèmes électriques que les bus d'extension plus modernes.
L'ajout de plusieurs cartes peut affecter :
- la qualité des signaux ;
- les temps de propagation ;
- la stabilité ;
- les marges de synchronisation.
Ces problèmes deviennent particulièrement difficiles à gérer lorsque le bus fonctionne à 40 ou 50 MHz.
La spécification VLB 2.0 comporte justement des règles précises concernant les charges et temporisations pour ces fréquences.
VLB à 50 MHz
Le cas du 486DX-50 mérite une attention particulière.
Contrairement au 486DX2-66 :
| 486DX-50 → bus externe à 50 MHz |
alors que :
| 486DX2-66 → bus externe à 33 MHz |
Le premier impose donc des contraintes électriques beaucoup plus sévères aux périphériques VLB.
La spécification VLB 2.0 définit bien une classe de temporisation à 50 MHz, mais atteindre cette fréquence demande une conception de carte mère et de carte d'extension particulièrement rigoureuse.
VLB 1.x
Les premières versions du standard accompagnent l'explosion du marché des ordinateurs 486.
Elles établissent les caractéristiques fondamentales :
- interface 32 bits ;
- connexion au bus local ;
- compatibilité avec l'environnement ISA ;
- prise en charge des périphériques rapides ;
- mécanismes de transfert à haut débit.
Le VLB devient extrêmement populaire sur les cartes mères 486 commercialisées principalement entre 1992 et 1994.
VLB 2.0
La spécification VL-Bus 2.0, datée de novembre 1993, apporte une définition plus évoluée de l'interface.
Elle documente notamment les caractéristiques électriques et les temporisations nécessaires aux différentes fréquences.
Elle distingue explicitement les fonctionnements à :
- 33 MHz ;
- 40 MHz ;
- 50 MHz.
La documentation définit également les charges électriques maximales autorisées pour les cartes connectées au bus.
Bus Mastering
Le VLB prévoit également des mécanismes permettant à certains périphériques de devenir maîtres du bus.
Un périphérique capable de Bus Mastering peut effectuer certaines transactions sans que le processeur ait à contrôler individuellement chaque transfert.
Cette fonction est particulièrement intéressante pour :
- contrôleurs SCSI ;
- contrôleurs d'entreposage ;
- cartes réseau ;
- autres périphériques effectuant des transferts importants.
Les possibilités et la qualité de mise en ouvre peuvent cependant dépendre de la génération du VLB, du chipset et de la carte mère.
VLB et le 80386
Le VLB est avant tout associé au 80486, mais il ne faut pas écrire qu'il était absolument impossible de l'utiliser avec d'autres processeurs.
La norme et certaines implémentations ont envisagé ou utilisé d'autres architectures, et des systèmes inhabituels ont existé.
En pratique, toutefois, son association extrêmement étroite avec les signaux du bus 486 explique pourquoi il est historiquement considéré comme le bus local emblématique du 486.
VLB et le Pentium
Le passage au Pentium pose un problème beaucoup plus important.
Le bus du Pentium diffère de celui du 486.
Puisque VLB dépend fortement de l'architecture du bus processeur 486, son adaptation au Pentium nécessite davantage de logique intermédiaire.
Quelques cartes mères Pentium équipées de VLB ont existé, mais elles sont restées relativement rares.
Le PCI constitue une solution beaucoup plus adaptée aux nouvelles générations de processeurs.
VLB contre ISA
| Caractéristique | ISA 16 bits | VLB |
|---|---|---|
| Largeur | 16 bits | 32 bits |
| Fréquence typique | ≈ 8 MHz | 25 à 40 MHz couramment |
| Débit | Faible | Jusqu'à ≈ 133 Mo/s à 33 MHz |
| Connexion | Bus d'Entrée/Sortie | Bus local |
| Cartes graphiques | Oui | Oui, beaucoup plus rapide |
| Nombre de connecteurs | Généralement élevé | Faible |
| Association principale | PC/AT et compatibles | 486 |
Le gain de performances du VLB est donc considérable pour les périphériques capables d'exploiter sa bande passante.
VLB contre PCI
Le PCI apparaît pratiquement à la même période mais adopte une philosophie différente.
| Caractéristique | VLB | PCI |
|---|---|---|
| Introduction | 1992 | 1992 |
| Largeur courante | 32 bits | 32 bits |
| Fréquence courante | 33 MHz | 33 MHz |
| Débit typique maximal | ≈ 133 Mo/s | ≈ 133 Mo/s |
| Dépendance au CPU | Forte | Beaucoup plus faible |
| Configuration automatique | Limitée Beaucoup plus évoluée | |
| Évolutivité | Faible | Élevée |
| Processeur emblématique 80486 | 486 tardif, Pentium et suivants |
Les deux architectures peuvent donc offrir une bande passante théorique comparable à 32 bits/33 MHz, mais PCI possède une architecture beaucoup plus adaptée à l'évolution future des ordinateurs.
Pourquoi PCI remplace le VLB
Le remplacement du VLB par PCI ne s'explique donc pas simplement par une bande passante supérieure.
À leurs débuts :
| VLB 32 bits / 33 MHz ≈ 133 Mo/s |
et :
| PCI 32 bits / 33 MHz ≈ 133 Mo/s |
Le PCI possède cependant plusieurs avantages architecturaux :
- moindre dépendance à un processeur particulier ;
- meilleure isolation électrique du bus processeur ;
- configuration plus sophistiquée ;
- meilleure évolutivité ;
- meilleure adaptation aux Pentium et générations suivantes.
PCI devient ainsi progressivement la solution dominante, y compris sur les dernières cartes mères 486.
Avantages
Les principaux avantages du VLB sont :
- bus de données 32 bits ;
- bande passante très élevée pour le début des années 1990 ;
- accès rapide au bus local du processeur ;
- excellente adaptation aux 80486 ;
- amélioration spectaculaire des performances graphiques par rapport à ISA ;
- bonnes performances pour les contrôleurs IDE et SCSI ;
- conception relativement économique ;
- standard ouvert défini par VESA ;
- possibilité de conserver simultanément les cartes ISA.
Inconvénients
Le VLB présente cependant plusieurs faiblesses importantes :
- forte dépendance à l'architecture du 80486 ;
- nombre limité de cartes ;
- charge électrique importante sur le bus processeur ;
- problèmes de synchronisation à fréquence élevée ;
- installation mécanique parfois difficile en raison des longs connecteurs ;
- faible intérêt pour les périphériques lents ;
- adaptation difficile aux nouvelles architectures de processeurs ;
- durée de vie commerciale relativement courte ;
- rapidement supplanté par PCI.
La longueur des cartes et la connexion très directe au bus processeur sont effectivement citées parmi les faiblesses pratiques du standard.
Comparaison avec les bus contemporains
| Bus | Introduction | Largeur | Fréquence typique | Débit théorique caractéristique |
|---|---|---|---|---|
| ISA 8 bits | 1981 | 8 bits | ≈ 4,77 à 8 MHz | Faible |
| ISA 16 bits | 1984 | 16 bits | ≈ 8 MHz | ≈ 8 Mo/s théoriques selon fonctionnement |
| MCA | 1987 | 16/32 bits | Variable | Supérieur à ISA |
| EISA | 1988 | 32 bits | ≈ 8,33 MHz | ≈ 33 Mo/s |
| VLB | 1992 | 32 bits | 33 MHz typique | ≈ 133 Mo/s |
| PCI | 1992 | 32 bits | 33 MHz | ≈ 133 Mo/s |
| AGP 1× | 1997 | 32 bits | 66 MHz | ≈ 266 Mo/s |
Utilisations principales
Le VLB est principalement utilisé pour :
- cartes graphiques VGA/SVGA ;
- contrôleurs IDE ;
- contrôleurs SCSI ;
- cartes multifonctions ;
- contrôleurs de disques ;
- quelques cartes réseau ;
- certains périphériques spécialisés.
La carte graphique reste néanmoins son utilisation la plus emblématique, ce qui correspond directement à l'objectif initial du standard.
Période de popularité
La carrière commerciale du VLB est particulièrement courte.
Il apparaît en :
- 1992
devient extrêmement courant sur les PC 486 vers :
- 1993-1994
puis commence rapidement à céder sa place au PCI.
Vers le milieu des années 1990, PCI devient la solution privilégiée des nouvelles cartes mères, même pour certains systèmes 486 tardifs.
Le VLB représente donc parfaitement une technologie de transition : extrêmement importante pendant quelques années, mais rapidement dépassée par une architecture plus générale.
Héritage
Le VESA Local Bus occupe une place importante dans l'histoire du matériel PC malgré sa courte existence commerciale. Il apparaît à une période où les performances des processeurs 80486 et des interfaces graphiques augmentent beaucoup plus rapidement que celles du bus ISA. En donnant aux cartes graphiques et aux contrôleurs de stockage un accès 32 bits beaucoup plus rapide au bus local, VLB permet aux ordinateurs 486 d'exploiter beaucoup plus efficacement les périphériques à haut débit.
Son architecture est cependant étroitement liée au processeur 80486. Ce choix permet une implémentation relativement simple et performante, mais entraîne également des difficultés électriques, un nombre limité de périphériques et des problèmes croissants lorsque les fréquences augmentent. L'arrivée du Pentium met encore davantage en évidence cette dépendance architecturale.
Le VLB constitue ainsi une étape intermédiaire importante entre les anciens bus d'extension comme ISA et EISA et les architectures plus évoluées comme PCI. Il démontre l'intérêt d'offrir aux périphériques rapides une liaison beaucoup plus proche du processeur, principe que l'on retrouvera ensuite, sous des formes profondément différentes, dans AGP, PCI Express et les interconnexions modernes.
Pour les ordinateurs rétro, le VLB demeure surtout associé à la période 486 de 1992 à 1995, aux cartes graphiques SVGA rapides et aux contrôleurs IDE multifonctions. Une carte mère 486 équipée de longs connecteurs ISA + VLB constitue aujourd'hui l'une des configurations matérielles les plus caractéristiques des PC performants du début des années 1990.