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Architecture des Microprocesseurs – Janvier 2012 Ir. Paul KAPULULA MUMBA Dubois

Architecture des Microprocesseurs – Janvier 2012 Ir. Paul KAPULULA MUMBA Dubois 1 III - Chapitre III Chapitre III Chapitre III Chapitre III ORGANISATION DES MEMOIRES A SEMI-CONDUCTEURS 3.1. Généralités 3.1.1. Définition & utilisation Les mémoires à semi-conducteurs sont des circuits électroniques intégrés permettant d'enregistrer des mots binaires sous une forme permanente ou temporaire. Elles sont construites à partir des matériaux en silice (SiO2) ou en Arséniure de Gallium (GaAs). Barrette de RAM de 64 MB Dans un système à base de µP, le contenu de la Mémoire est composé de 2 types d’informations indispensables pour la programmation : - Une ou plusieurs suites d’instructions à exécuter ; - des données devant être traitées par le programme. Architecture des Microprocesseurs – Janvier 2012 Ir. Paul KAPULULA MUMBA Dubois 2 III - Dans un système à base de Microprocesseurs, les mémoires sont utilisées à deux niveaux distincts : a) Au niveau de l’unité centrale mémoires internes A l’origine, il s’agissait des mémoires à tores, à cause de leur fabrication mécanique assez laborieuse, elles ont été progressivement abandonnées aujourd’hui par des mémoires à semi-conducteur qui se présentent sous forme de circuits intégrés. Elles sont de faible capacité de stockage et relativement à accès rapide (accès direct). On les appelle également « mémoires centrales (MC) ou mémoires principales (MP) ». Elles contiennent des instructions du programme en cours d’exécution et des données associées à ce programme. Physiquement elles se décomposent en 2 grandes catégories : Les mémoires vives ou mémoires volatiles (RAM) et les mémoires mortes ou mémoires non volatiles (ROM) Architecture des Microprocesseurs – Janvier 2012 Ir. Paul KAPULULA MUMBA Dubois 3 III - b) Au niveau des périphériques mémoires externes Ces mémoires sont indispensables pour l’établissement des instructions d’un programme à partir d’un périphérique. Ce sont généralement des mémoires à forte capacité, relativement lentes et à accès séquentiel. Toutes ces mémoires portent le nom général de mémoires de masse. On distingue dans cette catégorie : - les mémoires à cartes perforées ; - les mémoires à bandes perforées ; - les mémoires à bandes magnétiques ; - les mémoires à cartouches ; - les mémoires à disques souples (disquettes 5 ¼, disquettes 3 ½); - les mémoires à disques durs ; - les mémoires à disques compacts ou optiques (CD-ROM, DVD-ROM, Flash disques). 3.1.2. Méthodes d’accès & Supports physiques Il existe différents types ou méthodes d’accès suivant les fonctions mémoire désirées: • Accès séquentiel (temps d’accès linéaire) : pour accéder à une donnée, il faut parcourir toutes celles qui la précèdent. Ex : bandes magnétiques. • Accès direct ou aléatoire ou sélectif (temps d’accès constant) : la donnée possède une adresse propre qui permet de la localiser directement. Ex : mémoire RAM. • Accès semi- séquentiel ou mixte : C’est une combinaison entre l’accès direct et l’accès séquentiel (ex : Disque dur). Pour un disque magnétique, l’accès à la piste est direct, puis l’accès au secteur est séquentiel. • Accès par contenu ou accès associatif (temps d’accès constant) : la donnée est identifiée par une clé de recherche dans une table (mémoire cache). Types des supports physiques des mémoires : - Puces à semi-conducteurs (Mémoire centrale, mémoire cache, …); - Supports magnétiques (bandes magnétiques, disques durs, disques souples, …); - Supports optiques (CD-ROM, DVD, VCD, …); Architecture des Microprocesseurs – Janvier 2012 Ir. Paul KAPULULA MUMBA Dubois 4 III - 3.1.3. Eléments caractéristiques Les principales caractéristiques sont : l’adresse, la capacité, le temps d’accès, le cycle mémoire (temps entre deux accès successifs), le débit et la volatilité. - La capacité : c’est le nombre total de bits que contient la mémoire. Elle s’exprime aussi souvent en bits ou en octet. - Le format des données : c’est le nombre de bits que l’on peut mémoriser par case mémoire. On dit aussi que c’est la largeur du mot binaire mémorisable. - Le temps d’accès : c’est le temps qui s’écoule entre l’instant où on a lancé une opération de lecture/écriture en mémoire et l’instant où la première donnée est disponible sur le tampon entrée/sortie. - Le temps de cycle ou cycle mémoire : il représente l’intervalle minimum qui sépare deux demandes successives de lecture ou d’écriture. Le temps de cycle est égal au temps d’accès éventuellement additionné du temps de rafraîchissement ou de réécriture pour les mémoires qui nécessitent ces opérations. - Le débit : c’est le nombre maximal de données lues ou écrites par seconde. - Volatilité : la mémoire est volatile, si les données stockées s’échappent après l’interruption de l’énergie électrique. 3.1.4. Hiérarchie des mémoires La mémoire est constituée dans l’ordre croissant : du bit, de l’octet, du bloc, de l’enregistrement et du fichier. Plus on s’éloigne du µP et plus la capacité et le temps d’accès des mémoires augmentent. On utilise donc des mémoires de petite capacité mais très rapide pour stocker des données dont le µP se sert le plus et on utilise des mémoires de capacité importante mais beaucoup plus lente pour stocker les données dont le µP se sert le moins. On rencontre : • Bascule : mémoire élémentaire très rapide et à très faible capacité. • Registre : mémoire pouvant stocker un mot binaire. Il peut être intégré dans le µP. Il sert à la mémorisation des opérandes et des résultats intermédiaires (5ns). • Antemémoire ou mémoire cache : sert de mémoire tampon entre le µP et la mémoire centrale en mémorisant les données les plus utilisées (15 ns). Architecture des Microprocesseurs – Janvier 2012 Ir. Paul KAPULULA MUMBA Dubois 5 III - • Mémoire centrale ou mémoire principale : très utilisée pour le rangement des données; Elle contient les instructions du programme à exécuter (60 ns). • Mémoire d’appui ou mémoire d’arrière –plan : C’est la mémoire intermédiaire entre la mémoire centrale et la mémoire de masse (100 ns). • Mémoire de masse : ou mémoire périphérique, il sert de système d’archivage. Elle a une grande capacité de stockage. • Architecture des Microprocesseurs – Janvier 2012 Ir. Paul KAPULULA MUMBA Dubois 6 III - 3.2. Structure des mémoires à semi-conducteurs 3.2.1. Constitution Les mémoires se présentent sous forme des circuits intégrés et peuvent peut –être assimilées à un ensemble des « N » registres (cases mémoires) dans lesquels sont rangées les données en groupe (mots binaires) ayant chacun « n » éléments binaires. La capacité ou la taille de la mémoire est de N x n eb. Pour utiliser toute la surface de la puce, les cellules mémoires doivent être réparties en colonnes (profondeur de la mémoire) et en lignes (largeur de la mémoire) sous forme de matrice. Chaque mot binaire (case mémoire) est affecté d’une adresse qui indique son emplacement. Le nombre de lignes d’adresses dépend donc de la capacité de la mémoire : k adresses permettent d’adresser 2k cases mémoires. Exemple : 8 bits d’adresses permettent d’adresser 256 cases mémoires (registres). Dans le cas général, il existe plusieurs boîtiers mémoire sur la carte, tous branchés sur le même bus données. Dans ce cas, il est nécessaire de construire un signal qui permettra à un seul boîtier d'accéder au bus de données. Ce signal est appelé « chip select » (CS : sélection de boîtier) ou « chip enable (CE : validation de boîtier). Il faut créer autant de CS qu'il y a de boîtiers mémoires (CS0, CS1, CS2, …). Architecture des Microprocesseurs – Janvier 2012 Ir. Paul KAPULULA MUMBA Dubois 7 III - En-1 E1 E0 : entrées de données Entrées d’adresses Ao Ak-1 RD/WR Cs Vcc - - - A0 A1 - - - Ak-1 - - - - En-1/Sn-1 …… E1/S1 E0/S0 M CS : entrée de sélection du circuit - - - RD/WR : entrée de sélection de lecture/ écriture Sn-1 S1 S0 : sorties de données Profondeur Adresse. contenus des cases mémoires 009H 14H - - - - - - - 003H 05H 002H A4H 001H 05H 000H 7EH Largeur des cases mémoire équivalente à la taille du bus de données de la mémoire Remarque - Un plan mémoire est l'assemblage de plusieurs boîtiers pour former une mémoire de plus grande capacité. - L'assemblage horizontal (en largeur) permet de réaliser des mémoires de mots plus grands, les boîtiers partagent le même bus adresses et de contrôle. - Tandis que l'assemblage vertical (en profondeur) augmente la capacité (taille) mémoire du micro-ordinateur, les boîtiers partagent le même bus de données. D E C O D E U R A D R E S S E - - - - - - - - - Registre 0 Registre N-1 Registre 1 Registre 2 Tampons d’entrée Tampons de sortie C.I. Mémoire N x n eb. Architecture des Microprocesseurs – Janvier 2012 Ir. Paul KAPULULA MUMBA Dubois 8 III - 3.2.2. Ecriture & Lecture dans une mémoire Le contenu de chaque case mémoire (registre) est soumis soit à l’écriture, soit à la lecture. L’opération d’écriture consiste à mettre un nouveau mot binaire dans un registre. - on place la donnée à écrire à l’entrée ; - on fournit l’adresse du mot uploads/Ingenierie_Lourd/ organisation-des-memoires-chp-iii.pdf