Chapitre 3: Mémoires des ordinateurs PDF

Chapitre3: Mémoires des ordinateurs On appelle « mémoire » tout dispositif capable d'enregistrer, de conserver et de restituer des informations. On distingue ainsi deux grandes catégories de mémoires: 1- la mémoire centrale (ou mémoire interne) permettant de mémoriser temporairement les don...

Chapitre3: Mémoires des ordinateurs On appelle « mémoire » tout dispositif capable d'enregistrer, de conserver et de restituer des informations. On distingue ainsi deux grandes catégories de mémoires: 1- la mémoire centrale (ou mémoire interne) permettant de mémoriser temporairement les données et les programmes lors de l'exécution les applications. La mémoire centrale est réalisée à l'aide de micro conducteurs, c'est-à-dire des circuits électroniques spécialisés rapides. La mémoire centrale correspond à ce que l'on appelle la mémoire vive. 2- la mémoire de masse (appelée également mémoire physique ou mémoire externe) permettant de stocker des informations à long terme, y compris lors de l'arrêt de l'ordinateur. La mémoire de masse correspond aux dispositifs de stockage  magnétiques tels que le disque dur optiques, comme les CD-ROM ou les DVD-ROM, sur mémoires flash comme les clés USB, les cartes mémoire des appareils électroniques portables (photo, téléphone, PDA, micro-ordinateur ultraportables), les disques SSD, mémoires mortes. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Caractéristiques des mémoires 1. La capacité d’une mémoire La capacité ( taille ) d’une mémoire est le nombre (quantité) d’informations qu’on peut enregistrer ( mémoriser ) dans cette mémoire.  La capacité peut s’exprimer en :  Bit : un bit est l’élément de base pour la représentation de l’information.  Octet : 1 Octet = 8 bits  kilo-octet (KO ) : 1 kilo-octet (KO )= 1024 octets = 210 octets  Méga-octet ( MO) : 1 Méga-octet ( MO)= 1024 KO = 220 octets  Géga-octet ( GO) :Géga-octet ( GO)=1024 MO = 230 octets  Téra-octet (To) : 1 téra-octet (To)= 1024 Go =240 octets Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Caractéristiques des mémoires Comme pour les unités de mesure telles que le poids, la distance (kg, km...), un tableau permet de mieux comprendre l'ordre de grandeur : En regardant le tableau, vous pourrez lire que : 1 ko = 1 000 octets 1 Mo = 1 000 000 octets = 1 000 ko 1 Go = 1 000 000 000 octets = 1 000 000 Ko = 1 000 Mo 1 To = 1 000 000 000 000 octets = 1 000 Go Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Caractéristiques des mémoires 2. Volatilité - Si une mémoires perd son contenu ( les informations ) lorsque la source d’alimentation est coupée alors la mémoire est dite volatile. - Si une mémoire ne perd pas ( conserve ) sont contenu lorsque la source d’alimentation est coupée alors la mémoire est dite non volatile ( mémoire permanente ou stable). Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Caractéristiques des mémoires 3. Mode d’accès à l’information ( lecture /écriture ) Sur une mémoire on peut effectuer l’opération de :  lecture : récupérer / restituer une information à partir de la mémoire.  écriture : enregistrer une nouvelle information ou modifier une information déjà existante dans la mémoire.  Il existe des mémoires qui offrent les deux modes lecteur/écriture , ces mémoire s’appellent mémoires vives.  Il existent des mémoires qui offrent uniquement la possibilité de la lecture ( c’est pas possible de modifier le contenu ). Ces mémoires s’appellent mémoires mortes Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Caractéristiques des mémoires 4. Temps d’accès C’est le temps nécessaire pour effectuer une opération de lecture ou d’écriture. Par exemple pour l’opération de lecture , le temps d’accès est le temps qui sépare la demande de la lecture de la disponibilité de l’information. Le temps d’accès est un critère important pour déterminer les performances d’une mémoire ainsi que les performances d’une machine Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale RAM : Random Acces memory (Mémoire à accès aléatoire) La mémoire centrale (MC) représente l’espace de travail de l’ordinateur (calculateur ). - C’est l’organe principal de rangement des informations utilisées par le processeur. - Dans une machine (ordinateur / calculateur) pour exécuter un programme il faut le charger ( copier ) dans la mémoire centrale. - Le temps d’accès à la mémoire centrale et sa capacité sont deux éléments qui influent sur le temps d’exécution d’un programme ( performance d’une machine ). Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale Caractéristiques de la mémoire centrale - La mémoire centrale est une mémoire vive : accès en lecture et écriture. - La mémoire centrale est dite à accès aléatoire (RAM : Random Acces Memory) c'est-à-dire que le temps d'accès à l'information est indépendant de sa place en mémoire. - La mémoire centrale est volatile : la conservation de son contenu nécessite la permanence de son alimentation électrique. - Le temps d’accès à une mémoire centrale est plus rapide que les mémoires magnétiques. - La capacité d’une mémoire centrale est limitée mais il y a toujours une possibilité d’une extension. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale Types des mémoires centrales Il y a deux technologies de fabrication des RAM : statiques et dynamiques, elles ont chacune leur domaine d'application La SRAM ou RAM Statique est la plus ancienne. Les bits y sont mémorisés par des bascules électroniques dont la réalisation nécessite six transistors par bit à mémoriser. Les informations y restent mémorisées tant que le composant est sous tension. Les cartes mères utilisent une SRAM construite en technologie CMOS et munie d'une pile pour conserver de manière non volatile les données de configuration (setup) du BIOS. Le circuit de cette RAM CMOS est associé au circuit d'horloge qui lui aussi a besoin de la pile pour fonctionner en permanence même quand l'ordinateur est éteint. La SRAM est très rapide et est pour cette raison le type de mémoire qui sert aux mémoires cache. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale Types des mémoires centrales La DRAM pour RAM dynamique est de réalisation beaucoup plus simple que la SRAM. Ce qui permet de faire des composants de plus haute densité et dont le coût est moindre. Chaque bit d'une DRAM est mémorisé par une charge électrique stockée dans un petit condensateur. Ce dispositif offre l'avantage d'être très peu encombrant mais a l'inconvénient de ne pas pouvoir garder l'information longtemps. Le condensateur se décharge au bout de quelques millisecondes (ms). Aussi pour ne pas perdre le bit d'information qu'il contient, il faut un dispositif qui lit la mémoire et qui la réécrit de suite pour recharger les condensateurs. On appelle ces RAM des RAM dynamiques car cette opération de rafraîchissement doit être répétée régulièrement. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale Types des mémoires centrales Tableau de comparaison Base de comparaison SRAM DRACHME La vitesse plus rapide Ralentissez Taille Petit Grand Coût Coûteux Pas cher Utilisé dans Mémoire cache Mémoire principale Densité Moins dense Très dense Simple et utilise des Complexe et utilise des Construction condensateurs et très peu de transistors et des loquets. transistors. Un seul bloc de mémoire 6 transistors Un seul transistor. nécessite Présent nécessite donc des Propriété de fuite de charge Pas présent circuits de rafraîchissement de l'alimentation Consommation d'énergie Faible Haute Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Case mémoire (ensemble de cellules Contient le mot mémoire de n bits La mémoire centrale Cellule peut contenir un seul bit de chaque mot Vue logique de la mémoire centrale - La mémoire centrale peut être vu comme un large vecteur ( tableau ) de mots ou octets. 0 0 0 1 1 1 1 0 - Un mot mémoire stocke une information sur n bits. 0 1 0 1 1 0 1 0 - un mot mémoire contient plusieurs cellules mémoire. Contenu d’une 0 0 0 1 1 0 1 0 - Une cellule mémoire stock 1 seul bit. 1 0 0 1 1 0 1 0 case mémoire 0 1 0 1 1 0 1 1 - Chaque mot possède sa propre adresse. (un mot mémoire de 8 bits - Une adresse est un numéro unique qui permet d’accéder à un mot mémoire. - Les adresses sont séquentielles (consécutives ) - La taille de l’adresse ( le nombre de bits ) dépend de la capacité de la mémoire Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Case mémoire (ensemble de cellules Contient le mot mémoire de n bits La mémoire centrale Cellule peut contenir un seul bit de chaque mot Vue logique de la mémoire centrale Un mot de mémoire se retrouve à chaque adresse. 0 0 0 1 1 1 1 0 Les mots sont constitués de plusieurs bits  On décrit une mémoire grâce à deux chiffres 0 1 0 1 1 0 1 0 (indépendants):  le nombre d’adresses possibles Contenu d’une 0 0 0 1 1 0 1 0 ici: 216 = 65,536 adresses case mémoire 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1  la taille des mots de la mémoire (un mot mémoire ici: 8 bits = 1 octet) de 8 bits  Les mémoires qui peuvent se lire et s’écrire possèdent au moins trois signaux de contrôle du microprocesseur:  Lecture de la mémoire;  Écriture de la mémoire;  Activation (Enable) de la mémoire Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale Organisation d’une mémoire un bus est un ensemble de fils de cuivre incrustés dans la carte mère qui permettent de véhiculer l'information. Le bus se caractérise par le nombre de fils qui le composent. Si le nombre de fils est de 64, on parle alors de bus 64 bits. 216 Cases mémoire Avec une adresse de n bits il est possible de référencer au plus 2n cases mémoire Le nombre de fils d’adresses d’un boîtier mémoire définit donc le nombre de cases mémoire que comprend le boîtier Chaque case est remplie par un mot de données (sa longueur m est toujours une puissance de 2) (23=8bits; 24=16 bits; 25 = 32 bits …. Par exemple dans la figure, le tableau qui représente la mémoire l’adresse de chaque case mémoire est sur 16 bits (0x0001 est l’@1 en hexadécimale qui est égale à (0000 0000 0000 0001)2 en binaire) donc avec cette adresse de cette taille on peut adresser 216 = 65536 cases mémoires. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Un mot de 8 bits La mémoire centrale Organisation d’une mémoire 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 Puisque chaque case mémoire peut stocker 8 bits (1 octet) qui 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 est la taille du mot mémoire et on a 216 cases donc cette 0 0 0 1 1 0 1 0 mémoire peut emmagasiner (216 * 8) bits = 524288 bits ou 216 0 0 0 1 1 0 1 0 octet puisque 8 bits = 1 Octet, 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 Le nombre de bits stocker à partir de l’@ 0x0000 jusqu’à L’@ 0xFFFF est de 524288 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 Une adresse sur 16 bits 0 0 0 1 1 0 1 0 - - - - - - - - - - - - - - - - 0 0 0 11 0 1 0 La capacité de la mémoire désigne le volume de données que peut stocker cette mémoire, elle peut être exprimée en bits, octet, Ko, Mo…. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale Structure physique d’une mémoire centrale  RAM (Registre d’adresse Mémoire ) : ce registre stock l’adresse du mot à lire ou a écrire.  RDM ( Registre Données mémoire ) : stock l’information lu à partir de la mémoire ou l’information à écrire dans la mémoire.  Décodeur : permet de sélectionner un mot mémoire.  R/W : commande de lecture/écriture , cette commande permet de lire ou d’écrire dans la mémoire ( si R/W=1 alors lecture sinon écriture )  Bus d’adresses de taille k bits  Bus de données de taille n bits Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale Une adresse Structure d’un programme en MC Partie données 0001100 0000 (variables) 0011100 0001 0111100 0002 0001100 ……. 0001100 ……. Partie instructions 0001100 …….. Contenu d’une case (un mot)mémoire FFFF Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale Comment sélectionner un mot mémoire? Lorsque une adresse est chargée dans le registre adresse mémoire R A M , le décodeur va recevoir la même information que celle du registre R A M. A la sortie du décodeur nous allons avoir une seule sortie qui est active, Cette sortie va nous permettre de sélectionner un seule mot mémoire K RDM Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale Comment calculer la capacité d’une MC ? Soit N la taille du bus d’adresses ( taille du registre RAM) Soit K la taille du bus de données ( taille du registre RDM ou la taille d’un mot mémoire ) On peut exprimer la capacité de la mémoire centrale soit en nombre de mots mémoire ou en bits ( octets, kilo-octets,….) - La capacité = 2N Mots mémoire - La capacité = 2N * k Bits Exemple : Dans une mémoire la taille du bus d’adresses N=14 et la taille du bus de données k=4. - Calculer la capacité de cette mémoire ? - C=214 = 16384 Mots de 4 bits - C= 214 * 4 = 65536 Bits = 8192 Octets = 8 Ko Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale Comment calculer la capacité d’une MC ? Exemple 2: Soit une mémoire ayant une capacité de 8 KO. Octet = 8bits donc le bus possède 8 lignes Càd que chaque case 1- Combien a-t-elle de lignes de données ? mémoire sauvegarde un mot de 1 2- Combien a-t-elle de lignes d’adresses ? octet = 8 bits 3- Quelle est sa capacité en octets ? Réponse : - Cette mémoire possède 8 lignes de données. (8KO) - Cette mémoire stocke 8KO =8x210=8*1024=8192 mots de 8 bits. Il y a donc 8192 cases mémoires. Puisque 8192 = 213, il faut donc 13 lignes d’adresse. - La capacité de cette mémoire est de 8192 octets =8192* 8 bits = 65536 bits Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La mémoire centrale Comment lire une information ? Pour lire une information en mémoire centrale il faut effectuer les opérations suivantes: - Charger dans le registre RAM l’adresse du mot à lire - Lancer la commande de lecture ( R/W=1) - L’information est disponible dans le registre RDM au bout d’un certain temps (temps d’accès) Comment écrire une information? Pour écrire une information en MC il faut effectuer les opérations suivantes: - Charger dans le RAM l’adresse du mot ou se fera l’écriture. - Placer dans le RDM l’information à écrire. - Lancer la commande d’écriture pour transférer le contenu du RDM dans la mémoire. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Les Mémoires à Lecture seule les informations sont permanentes et l'utilisateur ne peut que les lires. On trouve dans cette catégorie : R.O.M. : Read Only Memory (mémoire à lecture seule): La mémoire ROM est une mémoire morte à lecture seule. Son contenu est enregistré une fois pour toutes par le fabriquant et ne peut plus jamais être modifié. P.R.O.M. : Programmable Read Only Memory La mémoire PROM est une mémoire à lecture seule, vierge à l'achat et programmable une seule fois par l'utilisateur qui est le concepteur du système à microprocesseur. E.P.R.O.M. : Effaçable Programmable Read Only Memory, La mémoire EPROM est à lecture seule dans le système. Elle est vierge à l'achat, programmable par l'utilisateur mais éventuellement effaçable en totalité dans un effaceur d'EPROM par exposition aux rayons ultra-violets pendant une durée d'environ une demi-heure. E.E.P,R.O.M. : Effaçable Electriquement Programmable Read Only Memory, La mémoire EEPROM est de même type qu'une mémoire EPROM mais effaçable électriquement en appliquant une tension sur certaines broches. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Les Mémoires de stockage Les mémoires de masse (ou mémoire auxiliaires ou secondaires) sont des supports de stockage et d'enregistrements des informations d'une manière permanente indépendamment de la mémoire centrale de l'ordinateur. Accessibles à l'utilisateur en Lecture et Écriture, capable de retenir les informations hors ou sous tension et ont une grande capacité de stockage. Les Cartes Perforées ou (PunchCards) 1900 – 1950 (960 octets) Les Bandes magnétiques 1950 à aujourd’hui (184 ko à 5 To) Disquette 8 pouces 1971-1979 (100 ko à 1 Mo) Disquette 5.25 pouces 1976-1982 (100 ko à 1,2 Mo ) Disquette 3.5 pouces 1980-2005 (400 ko à 1,44 Mo ) Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Les Mémoires de stockage Compact Disc (CD) 1985 à aujourd’hui (550 mo à 700 mo ) Disquette Zip 1994-2003 (100 à 750 mo ) Disquette Jazz 1995-2002 (1 à 2 go ) Digital Versatil Disc (DVD) 1995 à aujourd’hui 4,7 à 17,08 Go SuperDisk 1997-1999 (120 à 240 Mo) Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Les Mémoires de stockage Carte SmartMedia ou Solid State Floppy Disk Card (SSFDC) 1995-2004 (2 à 128 Mo) Carte SD (Secure Digital) 1999 à aujourd’hui (1 Mo à 128 Go ) Clé Usb ((Universal Serial Bus) 2001 à aujourd’hui 8 Mo à 256 Go Disque BluRay 2006 à aujourd’hui (25 à 50 Go ) Disque Dur 1956 à ce jour Le disque dur amovible (Disque USB) disques durs externes (supérieurs à 1 To ) Mémoire Flash Basée sur le principe des EEPROM Solid State Drive (SSD): constitué de plusieurs puces de mémoire flash et ne contient aucun élément mécanique dépasse 1 To. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Notion de hiérarchie mémoire Une mémoire idéale serait une mémoire de grande capacité, et possédant un temps d’accès très faible. - Mais, il se trouve que les mémoires de grande capacité sont souvent très lente et que les mémoires rapides sont très chères. - Et pourtant, la vitesse d’accès à la mémoire conditionne dans une large mesure les performances d’un système. Il est nécessaire de réduire autant qu'on peut le temps moyen d’accès du processeur (très rapide) aux instructions et données stockés en mémoire (plus lente) Afin d’obtenir le meilleur compromis coût performance, on définit donc une hiérarchie mémoire. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Notion de hiérarchie mémoire Prix + Core Registers + Capacité Cache (L1D/L1P, L2, L3, Cacheable Main Memory) Vitesse Main Memory (SDRAM, DDRAM...) Mass Storage (Hard Disk, SD, DVD, Blue-Ray...) + 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 auxiliaires, on constate que le temps d'accès et la capacité des mémoires augmentent, mais le coût par bit diminue. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Notion de hiérarchie mémoire - les registres sont les éléments de mémoire les plus rapides. Ils sont situés au niveau du processeur et servent au stockage des opérandes et des résultats intermédiaires - La mémoire cache est une mémoire rapide de faible capacité destinée à accélérer l’accès à la mémoire centrale en stockant les données les plus utilisées - La mémoire principale est l’organe principal de rangement des informations. Elle contient les programmes (instructions et données) et est plus lente que les deux mémoires précédentes. - La mémoire de masse est une mémoire de grande capacité utilisée pour le stockage permanent ou la sauvegarde des informations. Elle utilise pour cela des supports magnétiques (disque dur) ou optiques (CDROM, DVDROM). Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La Mémoire Cache Pourquoi utilise t’on la mémoire cash La mémoire cache stocke temporairement des informations, des données et des programmes qui sont utilisés régulièrement par le processeur. Lorsque ces données sont requises, le processeur se tournera automatiquement vers la mémoire cache à la recherche d'un accès plus rapide à ces données. En effet, la RAM est plus lente et plus éloignée du CPU. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La Mémoire Cache Sur tous les microprocesseurs récents, il y a 3 types de mémoire cache : L1 (la plus rapide), L2 et L3 (la plus lente). Tous les microprocesseurs ont la même quantité de mémoire cache L1 et L2. Seulement la quantité de mémoire cache L3 varie d'un processeur à un autre. Le cache L1 est petit mais exceptionnellement rapide. Il ne contient que les données et instructions absolument nécessaires aux programmes en cours d’exécution. Le cache L2 est plus gros et un peu moins véloce et stocke des données et/ou instructions qui ont récemment servi ou risquent de servir. Le cache L3 est de capacité importante mais relativement « lent ».  Chapitre3: Mémoires des ordinateurs La Mémoire Cache Les mémoires Cache L1 (Cache L1) La mémoire cache de premier niveau se subdivise en 2 parties : La première est le cache de l’unité de contrôle (ou d’instructions), elle contient les instructions issues de la mémoire vive décodées.. La seconde est le cache de données, qui contient des données issues de la mémoire vive et les données récemment utilisées lors des opérations du processeur.  Les caches du premier niveau sont très rapides d'accès. Leur délai d'accès tend à s'approcher de celui des registres internes aux processeurs. Chapitre3: Mémoires des ordinateurs Les caches L2 et L3 La mémoire cache de second niveau L2 est située dans le processeur  Le cache L2 stocke de l’information en provenance de la mémoire vive à proximité du processeur  Cette information est plus rapide d'accès que si elle reste dans le cache interne de la mémoire vive.  Toutefois on y accède moins rapidement qu’avec le cache de premier niveau.  La mémoire cache de troisième niveau L3 (est située au niveau de la carte mère).