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Support de cours Architecture des ordinateurs – Chapitre 3 : Les Mémoires vanel

Support de cours Architecture des ordinateurs – Chapitre 3 : Les Mémoires vanel.divin@gmx.fr Page 1 1. Généralités et définitions Une mémoire est un dispositif capable d’enregistrer, de conserver et de restituer des informations (généralement codées en binaires dans un ordinateur). Les éléments de mémoire d’un ordinateur se répartissent en plusieurs niveaux caractérisés par leur capacité et leur temps d’accès. 1.1. Hiérarchie des mémoires Les différents éléments de la mémoire d’un ordinateur sont ordonnés en fonction des critères suivants : temps d’accès, capacité et coût par bit. Quand on s’éloigne du CPU vers les mémoires de masse, on constate que le temps d’accès et la capacité des mémoires augmentent, mais que le coût par bit diminue :  Les éléments de mémoire situés dans l’unité centrale de traitement sont les registres  La mémoire cache ou l’antémémoire est une mémoire rapide de faible capacité (par rapport à la mémoire centrale) utilisée comme mémoire tampon entre le CPU et la mémoire centrale.  La mémoire centrale est l’organe principal de rangement des informations utilisées par le CPU.  La mémoire de masse secondaire ou mémoire auxiliaire est une mémoire périphérique de grande capacité et de coût relativement faible utilisée aussi pour le stockage permanent des informations. Il existe différents systèmes pour stocker ou archiver les informations de manière permanente dans les mémoires de masse primaires ou secondaires :  le stockage online  le stockage réseau  le stockage near-line  le stockage offline 1.2. Organisation des informations Les informations que l’on désire traiter dans un ordinateur doivent s’adapter à un certain format dont les caractéristiques générales sont les suivantes :  le bit (BInary digiT) constitue l’unité de base de l’information.  l’octet (Byte) correspond à un groupement de 8 bits constituant une unité d’information adressable en mémoire centrale CHAPITRE 3 : LES MEMOIRES Support de cours Architecture des ordinateurs – Chapitre 3 : Les Mémoires vanel.divin@gmx.fr Page 2  le caractère un groupement de 6,7,8,16 ou 32 bits permettant le codage d’un caractère alphanumérique ou d’un caractère spécial selon les conventions du coda ASCII, UNICODE, etc.  le mot (word) est un groupement de bits correspondant de manière informelle à la taille des informations échangées lors d’un transfert entre le processeur et la mémoire centrale.  l’enregistrement (record) signifie bloc de données.  le fichier (file) est un ensemble d’enregistrements 1.3. Caractéristiques des mémoires Une mémoire est caractérisée par les éléments suivants :  Adresse  Capacité  Temps d’accès  Cycle mémoire  Débit  volatilité 1.4. Différents types d’accès aux mémoires On distingue :  Accès séquentiel  Accès direct  Accès semi-séquentiel  Accès par contenu 2. La mémoire centrale La mémoire centrale ou principale [main memory] contient les instructions et les données des programmes que l’on désire exécuter, ainsi qu’une partie du système d’exploitation nécessaire au bon fonctionnement de l’ordinateur. Technologiquement, la mémoire centrale a été réalisée suivant plusieurs principes. On trouve principalement et par ordre chronologique ; les lignes ç retard, les tubes à vies, les tambours magnétiques, les tores magnétique et les mémoires à semi- conducteur. 2.1. Mémoires à semi-conducteurs Tous les mots de la mémoire centrale sont accessibles directement par leur adresse. C’est une mémoire à accès direct ou à accès aléatoire appelée généralement RAM. Une mémoire RWM est une cellule mémoire qui a la particularité de pouvoir être lue et écrite. Les mémoires permettant des opérations de lecture et d’écriture sont appelée mémoires vives, par opposition aux mémoires mortes (ROM) qui ne permettent que des opérations de lecture, les opérations d’écriture étant soit impossible, soit possible sous des conditions particulières. Support de cours Architecture des ordinateurs – Chapitre 3 : Les Mémoires vanel.divin@gmx.fr Page 3 Une RAM est une mémoire à accès aléatoire, le temps d’accès est indépendant du numéro de la cellule adressée. On distingue plusieurs types de mémoires RAM :  SRAM (Static RAM) : mémoire vive statique. C’est une mémoire très rapide et qui consomme peu de courant, typiquement, utilisée pour les registres du processeur et ma mémoire cache où les performances sont primordiales  DRAM : mémoire vive dynamique dont l’information doit être rafraichie périodiquement. Une cellule mémoire est constituée d’un transistor couplé à un condensateur. Les avantages sont ; fabrication plus simple, densité d’intégration plus grande, coût par bit moins élevé. L’inconvénient majeur est d’avoir à supporter la logique de rafraîchissement, ce qui en fait une mémoire plus lente que les SRAM. On distingue plusieurs types de DRAM : SDRAM, DDR ; DDR2 ; DDR3 et DDR4-SDRAM, chaque nouveau type améliorant les performances de la génération précédente, principalement le débit du transfert mémoire.  La VRAM est une forme spéciale de DRAM, anciennement utilisée sur les cartes graphiques, et qui disposait de deux ports. Elle pouvait être accédée simultanément en écriture par le processeur graphique mettant à jour les données et en lecture par le RAMDAC (RAM Digital Analogic Converter), composant qui assure la conversion de la mémoire vidéo en données analogiques, seules compréhensibles par le moniteur. Les progrès de la SDRAM lui ont permis d’être assez rapide pour se substituer à la VRAM  MRAM (Magnetic RAM) : au contraire des mémoires RAM précédentes, les puces MRAM utilisent un procédé de magnétisation pour stocker l’information On distingue plusieurs types de mémoire morte :  Une mémoire PROM (Programmable ROM) est une mémoire morte programmable une seule fois par l’utilisateur, et de manière irréversible.  Les mémoires EPROM (Erasable Programmable ROM) sont aussi appelées REPROM. Le principe est le même que celui des PROM, mais elles offrent en plus la possibilité de pouvoir être effacées un certain nombre de fois.  Les mémoires EEPROM suivent le même principe que celui des EPROM, elles sont reprogrammables par l’utilisateur mais elles sont à effacement électrique. Le compromis entre vitesse d’accès, conservation et volume des données est à la base des différents types de mémoire. La Support de cours Architecture des ordinateurs – Chapitre 3 : Les Mémoires vanel.divin@gmx.fr Page 4 mémoire flash permet de concilier ces différents aspects. Elle est basée sur le principe des EEPROM et permet de stocker de manière permanente de quelque dizaine à quelques centaines de giga- octets. C’est une mémoire fiable qui résiste aux chocs et est plus intéressante que les EEPROM car les données sont adressées par lignes entières et pas octet par octet. 2.2. Structure physique de la mémoire centrale Un élément de mémoire est une puce. Pour réaliser une mémoire centrale, il faut un grand nombre de puces que l’on répartit sur des cartes. Un octet mémoire peut être composé de différentes manières, qui sont :  1 bit / carte : un octet mémoire est composé par les bits ayant la même adresse sur les cartes, l’adresse se compose du numéro de la puce et de l’adresse à l’intérieur de cette puce.  1 bit / puce : un octet mémoire est composé par les bits ayant la même adresse dans les différentes puces.  Plusieurs bits / puce : un octet mémoire est composé par plusieurs bits d’une même puce. Le cycle CPU étant normalement beaucoup plus court que le cycle mémoire, on arrive à des problèmes d’attente du CPU sur la mémoire, ce qui diminue le rendement de la machine. Il existe deux dispositifs permettant d’améliorer la situation, qui peuvent d’ailleurs être combinés et qui sont : la mémoire entrelacée et la mémoire cache. 2.2.1. La mémoire entrelacée Ce dispositif consiste à diviser la mémoire centrale en blocs indépendants possédant leurs propres registres d’adresse et de mot. Le CPU peut lancer des opérations d’accès à la mémoire sans attendre la fin du cycle précédent à condition de faire appel à un bloc différent. L’entrelacement consiste à placer les mots se trouvant à des adresses successives dans des blocs différents. On gagne du temps par recouvrement des cycles mémoire. 2.2.2. Modules mémoire La plupart des ordinateurs actuels offrent la possibilité d’étendre facilement leur mémoire centrale RAM. Pour cela, ils ont un certain nombre d’emplacements réservés pour accueillir des modules de mémoire, anciennement de type SIMM, maintenant de type DIMM. Une DIMM est un groupe de chips RAM généralement monté sur un petit circuit imprimé de forme rectangulaire, appelé barrette, que l’on installe sur la carte principale d’un ordinateur. Les SIMM fonctionnaient en 32 bits et les DIMM permettent des transferts de données sur 64 bits. Support de cours Architecture des ordinateurs – Chapitre 3 : Les Mémoires vanel.divin@gmx.fr Page 5 3. Mémoire Cache Le principe de la mémoire cache ou antémémoire apporte une solution au problème de la trop grande différence de vitesse entre le CPU et la mémoire centrale. La solution consiste à insérer entre les deux une mémoire très rapide (de type SRAM) mais pas très grande qui va contenir les informations dont a besoin le CPU. Cette mémoire ne fait pas partie de la mémoire centrale. L’antémémoire est une mémoire associative, ce qui signifie que les informations ne sont pas accessibles par une adresse, ce qui est le cas dans la mémoire centrale, mais sont adressables uploads/Litterature/ support-architecture-des-ordinateurs-chapitre3.pdf