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Mémoires La force du nombre ne réjouit que le peureux. Celui qui est courageux

Mémoires La force du nombre ne réjouit que le peureux. Celui qui est courageux en esprit se fait gloire de combattre seul. La force réside dans l'absence de crainte, et non dans la quantité de chair et de muscle que nous avons dans notre corps. Gandhi Un lien intéressant pour approfondir : Anantech.com 1 Introduction Dans ce chapitre, nous allons rappeler des notions fondamentales concernant la mémoire et nous nous intéresserons en particulier à la mémoire cache. 2 Classification Les différentes mémoires peuvent être classées comme indiqué sur le schéma ci-dessous : On distingue la mémoire vive (ou RAM) de la mémoire morte (ou ROM). On peut également donner une autre classification qui tient compte de l'éloignement par rapport au processeur :  les registres sont les éléments de mémoire les plus rapides. Ils sont situés au niveau du processeur et servent au stockage des opérandes et résultats intermédiaires.  la mémoire cache est une mémoire rapide de faible capcité destinée à accéléré l'accès à la mémoire centrale en stockant les données les plus utilisées.  la mémoire centrale contient les programmes (code + données) et est plus lente que les deux mémoires précédentes.  La mémoire d'appui est l'équivalent de la mémoire cache pour la mémoire de masse.  la mémoire de masse est un support de stockage généralement de grande capacité et sert au stockage et à l'archivage des informations. 4.3 La mémoire vive : RAM La mémoire vive ou RAM (Random Access Memory) pour mémoire à accès aléatoire, est une mémoire volatile, cela signifie que si l'on coupe l'alimentation, les données qu'elle contient sont perdues. Ses caractéristiques sont les suivantes :  elle sert à stocker les programmes exécutés par le processeur  elle est accessible en lecture et en écriture  elle est organisée sous forme matricielle Il existe deux grandes familles de memoires vives :  les RAM Statiques : SRAM  les RAM Dynamiques : DRAM Caractéristiques des mémoires en 1997 Type de mémoire Temps d'accès $ / Mo SRAM 6 à 25 ns 100 à 250 DRAM 60 à 120 ns 5 à 10 Disque Dur 100 à 200 ms 0,1 à 0,2 4.3.1 La mémoire vive statique : SRAM Chaque bit d'une SRAM est formé par une bascule (latch) constituée par 4 à 6 transistors. L'information stockée peut être maintenue sans dégradation pendant une centaine d'heures. L'intéret de ce type de mémoire est sa vitesse (quelques ns) mais son cout est prohibitif. En effet, une bascule est composée de deux portes NOR constituée chacune de deux transistors (soit un total de 4 transistors pour un bit d'information). En conséquence on utilisera la SRAM lorsque le facteur vitesse est critique et notamment pour des mémoires de petite taille comme la mémoire cache. bascule RS constituée de 2 portes NOR Les mémoires statiques sont composées de bascules. La bascule (latch ou flip-flop en anglais) est composée de deux portes NOR (ou NAND) rétrocouplées, c'est-à-dire que la sortie de l'une est raccordée à l'entrée de l'autre. Le bascule RS comporte :  deux entrées notées R (Reset) et S (Set)  deux sorties désignées par Q et ¬Q qui ont normalement des valeurs inverses. En fonctionnement normal les entrées R et S sont en position basse (ou à 0). On doit alors mettre une des entrées en position haute (1) pour changer l'état de la bascule. L'étude de la bascule RS montre que :  la mise à 1 momentanée de S force Q à 1 et ¬ Q à 0  la mise à 1 momentanée de R force Q à 0 et ¬ Q à 1  la mise à 1 momentanée de R et S provoque une situation indésirable. Cela provoque la mise à 0 de Q et ¬ Q. Lorsque S et R reviennent en position basse l'état de la sortie est déterminé par la porte qui revient à 0 en premier. On supposera que le cas R = S = 1, qui consiste à vouloir mettre la bascule à 0 et à 1 ne se produira jamais. On peut résumer le fonctionnement de la bascule RS par le tableau suivant : S R Sortie 0 0 inchangée 0 1 Q = 0 1 0 Q = 1 1 1 erreur 4.3.2 La mémoire vive dynamique : DRAM Chaque bit d'une DRAM est constitué par un transistor et un condensateur :  le condensateur détermine la valeur du bit : le bit vaut 1 si le condensateur est chargé, il vaut 0 dans le cas contraire.  le transistor gère l'accès au condensateur L'inconvénient des DRAM est que le condensateur possède une tendance naturelle à se décharger. Pour que l'information reste cohérente, on va devoir réaliser un rafraîchissement de la mémoire toutes les quelques millisecondes. Ce rafraîchissement consiste à lire et à réécrire la donnée. Les avantages de la DRAM sont :  sa grande densité d'intégration (car un bit est représenté par un transistor),  son faible coût de fabrication,  sa faible consommation électrique (entre un sixième à la moitié de celle des SRAM). En revanche le temps d'accès de la DRAM est plus important que celui de la SRAM (environ 50-70 ns). 4.3.3 Mémoires synchrones et asynchrones  Mémoire asynchrone : pour ce type de mémoire, l'intervalle de temps entre deux accès mémoire consécutif n'est pas régulier. Le processeur ne sait donc pas quand l'information qu'il attend est disponible et doit attendre (wait-state) que la mémoire lui transmette les données.  Mémoire synchrone : la cadence de sortie des informations est régulière, on évite ainsi les états d'attente (wait state) du processeur. 4.3.4 Comparaison SRAM / DRAM Etant donné les caractéristiques des SRAM et DRAM, on peut en déduire les propriétés suivantes :  les DRAM sont plus lentes que les SRAM car durant le rafraîchissement on ne peut accèder aux données  cependant, les DRAM ont une densité d'intégration plus grande que les SRAM : en effet le coupe transistor + condensateur occupe moins de place que les 4 à 6 transistors des SRAM En résumé :  la SRAM est rapide mais chère  la DRAM est lente mais bon marché 4.4 La mémoire morte : ROM Les mémoires mortes ou ROM (Read Only Memory) sont des mémoires non volatiles qui sont vouées à être accédées en lecture en fonctionnement normal. Elles contiennent du code et des données qui ne sont pas amenés à changer souvent. Les ROM contiennent généralement les routines d'accès de base aux périphériques. 4.4.1 ROM classiques L'information contenue dans ces mémoires est enregistrée de manière irréversible lors de la fabrication du circuit. Le principe de réalisation de ces mémoires est le réseau de diodes. 4.4.2 PROM La mémoire PROM (Programmable ROM) est une ROM à enregistrement irréversible qui peut être programmée par un utilisateur grâce à un dispositif appelé programmateur de PROM. 4.4.3 EPROM et EEPROM Les EPROM (Erasable Programmable ROM) présentent l'avantage de pouvoir être effacées et réécrites. Pour effacer une EPROM il faut la soumettre à un rayonnement ultraviolets pendant 30 minutes. Elles sont facilement reconnaissables en raison de la présence sur leur face supérieure d'une fenêtre de quartz obturée par un adhésif afin de les soustraire aux rayonnements ultraviolets naturels (soleil, néon). Les EEPROM (Electrically EPROM) quant à elles utilisent un procédé électrique pour l'effacement des données. Elles sont donc bien plus pratiques que les EPROM. 4.4.4 Flash Les mémoires Flash réalisent la synthèse des technologies EEPROM et SRAM. Elles sont rapides, ne nécessitent pas de rafraîchissement. Elle sont effaçables et reprogrammables rapidement par blocs de 64 Ko.Malheureusement son prix de revient est assez élevé et on ne peut la reprogrammer qu'un nombre limité de fois (environ 100.000). 4.5 Organisation de la mémoire 4.5.1 Composant mémoire Un composant mémoire peut être considéré comme un tableau à une dimension de cellules mémoires (1 bit). Cependant, comme nous le verrons par la suite, il est plus intéressant d'implanter la mémoire sous forme d'une matrice de cellules (on dit également mots). Un composant mémoire est donc formé de :  une matrice composée de lignes L et de colonnes C,  à chaque intersection (ligne,colonne) on trouve des bascules (SRAM), ou des condensateurs-transistors (DRAM). Organisation d'un composant mémoire Remarque : un composant de 128 × 128 cellules de 1 bit comporte 16384 bits, on note également : 16 K × 1. 4.5.2 Module mémoire L'unité de mémoire en informatique est l'octet (8 bits). Pour pouvoir constituer la mémoire en octets on met dans un même boîtier 8 composants 1 bit. Le schéma de la figure ci-dessous donne un exemple de boîtier 4 bits. Organisation d'un module mémoire 4 bits 4.5.3 Barette mémoire Les bus d'adresse des processeurs actuels sont de 64 bits pour les Pentium (32 bits pour les 80486). Pour remplir le bus de données on utilise le même principe que pour les modules mémoires en utilisant des bancs mémoire. Pour un barrette composée de 4 bancs (ou modules) les octets sont stockés modulo 4 :  le banc 0 contient uploads/Litterature/ les-memoires.pdf