Exposé. Thème : Les mémoires du PC

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1 Université de Ouagadougou Année académique Institut Burkinabé des Arts et Métiers (IBAM) SYSTEME D EXPLOITATION Exposé Thème : Les mémoires du PC Présenté par : Sissoko Fatou Enseignant : Guinko Tonguim Ferdinand Tonde David

2 Introduction I- Généralité sur les mémoires A- Définition B- Rôles des mémoires C- Caractéristiques techniques d une mémoire II- Différents types de mémoire A- Les mémoires vives 1- Les RAM statiques 2- Les RAM dynamiques 3- Autres types de mémoire RAM B- Les mémoires mortes 1- Les types de ROM C- Les mémoires flash D- La mémoire cache E-Autres types de mémoire III- Gestion de la mémoire IV- Notion de hiérarchie mémoire Conclusion 2 Les mémoires du PC

3 Introduction Un ordinateur a deux caractéristiques essentielles qui sont la vitesse à laquelle il peut traiter un grand nombre d'informations et la capacité de les mémoriser. La mémoire est un composant de base de l'ordinateur, sans lequel tout fonctionnement devient impossible. Son rôle est de stocker les données avant et pendant leur traitement par le processeur. Ces données sont d'apparence binaire et mémorisées sous forme d'impulsions électriques. Plusieurs types de mémoires sont utilisés, différentiables par leur technologie (DRAM, SRAM,...), leur forme (SIMM, DIMM,...) ou leur fonctionnement (RAM, ROM,). I- Généralité sur les mémoires A- Définition On appelle «mémoire» tout composant électronique capable de stocker temporairement ou à long terme des données. Une mémoire est aussi un circuit à semi-conducteur permettant d enregistrer, de conserver et de restituer des informations (instructions et variables). C est cette capacité de mémorisation qui explique la polyvalence des systèmes numériques et leur adaptabilité à de nombreuses situations. Les informations peuvent être écrites ou lues. Il y a écriture lorsqu'on enregistre des informations en mémoire, lecture lorsqu'on récupère des informations précédemment enregistrées. B- Rôles des mémoires On distingue généralement deux grandes catégories de mémoires : - la mémoire centrale (appelée également mémoire interne) permettant de mémoriser temporairement les données lors de l'exécution des programmes. Elle 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. 3 Les mémoires du PC

4 - 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, aux dispositifs de stockage optique, correspondant par exemple aux CD-ROM ou aux DVD-ROM, ainsi qu'aux mémoires mortes. C- Caractéristiques techniques d une mémoire Les principales caractéristiques d'une mémoire sont les suivantes : - La capacité : c est le nombre total de bits que contient la mémoire. Elle s exprime aussi souvent 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 mémorisable. - Le temps d accès : c est le temps qui s'écoule entre l'instant où a été lancée une opération de lecture/écriture en mémoire et l'instant où la première information est disponible sur le bus de données. - Le temps de cycle : il représente l'intervalle minimum qui doit séparer deux demandes successives de lecture ou d'écriture. - Le débit : c est le nombre maximum d'informations lues ou écrites par seconde. - Volatilité : elle caractérise la permanence des informations dans la mémoire. L'information stockée est volatile si elle risque d'être altérée par un défaut d'alimentation électrique et non volatile dans le cas contraire. Ainsi, la mémoire idéale possède une grande capacité avec des temps d'accès et temps de cycle très restreints, un débit élevé et est non volatile. Néanmoins les mémoires rapides sont également les plus onéreuses. C'est la raison pour laquelle des mémoires utilisant différentes technologiques sont utilisées dans un ordinateur, interfacées les unes avec les autres et organisées de façon hiérarchique. 4 Les mémoires du PC

5 Les mémoires les plus rapides sont situées en faible quantité à proximité du processeur et les mémoires de masse, moins rapides, servent à stocker les informations de manière permanente. II- Différents types de mémoire A- Les mémoires vives La mémoire vive, généralement appelée RAM (Random Access Memory, traduisez mémoire à accès aléatoire), est la mémoire principale du système, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un espace permettant de stocker de manière temporaire des données lors de l'exécution d'un programme. Elle doit avoir un temps de cycle très court pour ne pas ralentir le microprocesseur. Les mémoires vives sont en général volatiles : elles perdent leurs informations en cas de coupure d'alimentation. Certaines d'entre elles, ayant une faible consommation, peuvent être rendues non volatiles par l'adjonction d'une batterie. Il existe deux grandes familles de mémoires RAM: - Les RAM statiques - Les RAM dynamiques 1- Les RAM statiques Les mémoires statiques ou SRAM (Static Random Access Memory), onéreuses et encombrant ont l'immense avantage de pouvoir stocker des valeurs pendant une longue période sans devoir être rafraîchies. Cela permet des temps d'accès très court (8 20ns). Les SRAM sont notamment utilisées pour les mémoires cache du processeur. 2- Les RAM dynamiques 5 Les mémoires du PC

6 Les mémoires dynamiques ou DRAM (Dynamic Random Access Module), A l'inverse de la mémoire SRAM, doivent être rafraichies plusieurs fois par secondes, ce qui en augmente le temps d'accès (50 80ns). Par contre leur coût est nettement inférieur et leur encombrement faible. En général les mémoires dynamiques, qui offrent une plus grande densité d'information et un coût par bit plus faible, sont utilisées pour la mémoire centrale, alors que les mémoires statiques, plus rapides, sont utilisées lorsque le facteur vitesse est critique, notamment pour des mémoires de petite taille comme les caches et les registres. 3- Autres types de RAM a- DRAM PM La DRAM (Dynamic RAM, RAM dynamique) est le type de mémoire le plus répandu au début du millénaire. Ce sont des mémoires dont le temps d'accès est de 60 ns et dont les accès mémoire se font généralement sur des données rangées consécutivement en mémoire. Ainsi le mode d'accès en rafale (burst mode) permet d'accéder aux trois données consécutives à la première sans temps de latence supplémentaire. b- DRAM EDO La DRAM EDO parfois également appelé "hyper-page" est apparue en La technique utilisée avec ce type de mémoire consiste à adresser la colonne suivante pendant la lecture des données d'une colonne. Cela crée un chevauchement des accès permettant de gagner du temps sur chaque cycle. Le temps d'accès à la mémoire EDO est donc d'environ 50 à 60 nanosecondes pour une fréquence de fonctionnement allant de 33 à 66 Mhz. Dans la mesure où la mémoire EDO n'acceptait pas des fréquences supérieures à 66 Mhz, elle a disparu au bénéfice de la SDRAM. c- SDRAM La SDRAM (Synchronous DRAM, traduisez RAM synchrone), apparue en 1997, permet une lecture des données synchronisée avec le bus de la carte-mère, contrairement aux mémoires EDO et FPM (qualifiées d'asynchrones) possédant leur propre horloge. La SDRAM permet donc de s'affranchir des temps d'attente dus à la synchronisation avec la carte-mère.. De cette façon la SDRAM est capable de fonctionner avec une cadence allant jusqu'à 150 Mhz, lui permettant d'obtenir des temps d'accès d'environ 10 ns. 6 Les mémoires du PC

7 d- DDR-SDRAM La DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) est une mémoire basée sur la technologie SDRAM, permettant de doubler le taux de transfert de la SDRAM à fréquence égale. e- DDR2-SDRAM La mémoire DDR2 (ou DDR-II) permet d'atteindre des débits deux fois plus élevés que la DDR à fréquence externe égale. La mémoire DDR2 utilise en effet deux canaux séparés pour la lecture et pour l'écriture, si bien qu'elle est capable d'envoyer ou de recevoir deux fois plus de données que la DDR. f- DDR3-SDRAM Le DDR3 SDRAM améliore les performances par rapport au DDR2, mais surtout diminue la consommation électrique. En effet, celle-ci est de 40 % inférieure, en particulier grâce à une baisse du voltage utilisé, une finesse de gravure accrue. Si le débit théorique de ces barrettes peut dépasser les 10 Go/s, les temps de latence sont restés dans les mêmes ordres de grandeur que ceux des DDR2. B- Les mémoires mortes (ROM) Pour certaines applications, il est nécessaire de pouvoir conserver des informations de façon permanente même lorsque l'alimentation électrique est interrompue. On utilise alors des mémoires mortes ou mémoires à lecture seule (ROM : Read Only Memory). Ces mémoires, contrairement aux RAM, ne peuvent être que lue (non volatiles). L inscription en mémoire des données reste possible mais est appelée programmation. Suivant le type de ROM, la méthode de programmation changera. Ce type de mémoire permet notamment de conserver les données nécessaires au démarrage de l'ordinateur. En effet, ces informations ne peuvent être stockées sur le disque dur étant donné que les paramètres du disque (essentiels à son initialisation) font partie de ces données vitales à l'amorçage. Différentes mémoires de type ROM contiennent des données indispensables au démarrage, c'est-à-dire : Le BIOS: programme permettant de piloter les interfaces d'entrée-sortie principales du système, d'où le nom de BIOS ROM donné parfois à la puce de mémoire morte de la carte-mère qui l'héberge. 7 Les mémoires du PC

8 Le chargeur d'amorce: un programme permettant de charger le système d'exploitation en mémoire (vive) et de le lancer. Celui-ci cherche généralement le système d'exploitation sur le lecteur de disquette, puis sur le disque dur, ce qui permet de pouvoir lancer le système d'exploitation à partir d'une disquette système en cas de dysfonctionnement du système installé sur le disque dur. Le Setup CMOS, c'est l'écran disponible à l'allumage de l'ordinateur permettant de modifier les paramètres du système (souvent appelé BIOS à tort...). Le Power-On Self Test (POST), programme exécuté automatiquement à l'amorçage du système permettant de faire un test du système Etant donné que les ROM sont beaucoup plus lentes que les mémoires de types RAM (une ROM a un temps d'accès de l'ordre de 150 ns tandis qu'une mémoire de type SDRAM a un temps d'accès d'environ 10 ns), les instructions contenues dans la ROM sont parfois copiées en RAM au démarrage, on parle alors de shadowing (on parle généralement de mémoire fantôme). 1-Les types de ROM Les ROM ont petit à petit évolué de mémoires mortes figées à des mémoires programmables, puis reprogrammables. a- LA ROM Elle est programmée par le fabricant et son contenu ne peut plus être ni modifié, ni effacé par l'utilisateur. Elle a l avantage d être rapide et non volatile. Par contre, toute modification est impossible et donc toute erreur est fatale. De plus, il y a obligation de grandes quantités en raison du coût élevé qu'entraîne la production du masque et le processus de fabrication. b- La PROM Comme il est coûteux de construire des mémoires ROM pour des applications très spécifiques, il existe des variantes de mémoires ROM qui peuvent être programmées par l'utilisateur. Ce sont les PROM (Programmable ROM), qui sont en fait des ROM "vierges" qui contiennent toutes les connexions possibles et sur lesquelles un appareil spécial, le programmeur de PROM permet de détruire certains fusibles internes. Il peut être avantageux de pouvoir modifier une PROM. Mais les fusibles détruits lors de la programmation d'une PROM ne peuvent pas être recréés. C'est pourquoi les EPROM ont été mis au point. 8 Les mémoires du PC

9 c- L EPROM ou UV-EPROM Située un peu à mi-chemin entre la RAM et la ROM, l'eprom (Erasable PROM) est un dispositif dont le contenu peut être effacé lorsqu'il est soumis à un rayonnement ultraviolet, autorisant ainsi une nouvelle programmation. Par contre, il est impossible de sélectionner une seule cellule à effacer et l écriture est beaucoup plus lente que sur une RAM. d- L EEPROM Les EEPROM (Electrically Erasable Read Only Memory) sont aussi des PROM effaçables, mais contrairement aux EPROM, celles-ci peuvent être effacées par un simple courant électrique, c'est-à-dire qu'elles peuvent être effacées même lorsqu'elles sont en position dans l'ordinateur. C- Les mémoires flash La mémoire flash est une mémoire à semi-conducteurs, non volatile et réinscriptible, c'est-à-dire une mémoire possédant les caractéristiques d'une mémoire vive mais dont les données ne se volatilisent pas lors d'une mise hors tension. Ainsi la mémoire flash stocke les bits de données dans des cellules de mémoire, mais les données sont conservées en mémoire lorsque l'alimentation électrique est coupée. En raison de sa vitesse élevée, de sa durabilité et de sa faible consommation, la mémoire flash est idéale pour de nombreuses applications - comme les appareils photos numériques, les téléphones cellulaires, les imprimantes, les assistants personnels (PDA), les ordinateurs portables, ou les dispositifs de lecture ou d'enregistrement sonore tels que les baladeurs mp3. De plus ce type de mémoire ne possède pas d'éléments mécaniques, ce qui leur confère une grande résistance aux chocs. D- La mémoire cache Dans un ordinateur récent, le processeur est généralement le plus rapide. Il peut ainsi traiter une quantité d'information extrêmement conséquente par seconde et donc répondre dans un délai très court à toute demande. Cette situation serait idyllique s'il était approvisionné suffisamment rapidement en 9 Les mémoires du PC

10 données, ce qui n'est malheureusement pas le cas. En effet, les mémoires de masse, tel qu'un disque dur, sont beaucoup trop lentes pour garantir un débit suffisant. La mémoire vive permet d'améliorer les temps d'accès mais reste bien en deçà des possibilités du processeur. La mémoire cache permet de corriger grandement ce problème. Composée de mémoire SRAM donc très rapide, elle diminue les temps d'attente du processeur. Malheureusement, son coût extrêmement élevé en empêche l'usage comme mémoire vive. En effet, la quantité requise placerait un PC à un prix inabordable. Elle est donc utilisée en petites quantités sur la carte mère de manière à apporter des gains de vitesses seulement où cela est vraiment nécessaire. Il convient de ne pas confondre la mémoire cache physique (L1 ou L2) avec les autres sortes de caches. Une mémoire de masse peut être vendue avec une mémoire cache intégrée. Ainsi de plus en plus de disques durs sont vendus avec de petites mémoires caches intégrées, qui ont pour effet d'en accélérer le débit. Dans certains cas, on parle de cache disque, tels que smartdrive (fourni avec le Dos). Il ne s'agit ici que d'une fonction logicielle qui permet d'augmenter le débit d'un disque (dur ou CD). Le procédé est simple, une partie de la mémoire vive est utilisée comme tampon pour les écritures sur ledit disque. Si cela permet effectivement d'en augmenter un peu les performances, c'est au détriment de la mémoire utilisable. E- Autres types de mémoire 1- MMC - Multimédia Card La mémoire Multimédia Card (notée MMC) est un type de carte mémoire créé conjointement par SanDisk et Siemens en novembre Son architecture est basée sur une combinaison de mémoire morte (ROM) pour les applications en lecture seule et de mémoire flash pour les besoins en lecture/écriture. La mémoire MMC possède de très petites dimensions (24.0mm x 32.0mm x 1.4mm) et pèse à peine 2.2 grammes. Il existe deux types de cartes MMC possédant des voltages différents : Les cartes MMC 3.3V, possédant une encoche à gauche 10 Les mémoires du PC

11 Les cartes MMC 5V, possédant une encoche à droite 2- Secure Digital La mémoire Secure Digital (notée SD ou SD Card) est un type de mémoire créé par Matsushita Electronic, SanDisk et Toshiba en janvier La mémoire Secure Digital est une mémoire spécifiquement développée pour répondre aux exigences de sécurité nouvellement apparues dans les domaines des dispositifs électroniques audio et vidéo. Elle inclut ainsi un mécanisme de protection du droit d'auteur qui répond au standard SDMI (Secure Digital Music Initiative). L'architecture des cartes SD est basée sur des circuits de mémoire flash (EEPROM) de type NAND. La mémoire Secure Digital possède de très petites dimensions. 3- Smart Media La mémoire Smart Media est un type de carte mémoire créé par Toshiba et Samsung. Son architecture est basée sur des circuits de mémoire flash (EEPROM) de type NAND. La mémoire Smart Media possède de très petites dimensions (45.0mm x 37.0mm x 0.76mm), équivalentes à celles d'un timbre poste, et pèse à peine 2 grammes. Il existe deux types de cartes Smart Media possédant des voltages différents : Les cartes Smart Media 3.3V possèdent une encoche à droite Les cartes Smart Media 5V possèdent une encoche à gauche 11 Les mémoires du PC

12 L'accès aux données est réalisé par l'intermédiaire d'une puce possédant 22 broches. Quelle que soit la capacité de la carte Smart media, les dimensions et l'emplacement de la puce sont les mêmes. Le temps d'accès à la mémoire est d'environ 25µs pour le premier accès et de cycles de 50 ns pour les suivants. III- Gestion de la mémoire La gestion de la mémoire est un difficile compromis entre les performances (temps d'accès) et la quantité (espace disponible). On désire en effet tout le temps avoir le maximum de mémoire disponible, mais l'on souhaite rarement que cela se fasse au détriment des performances. La gestion de la mémoire doit de plus remplir les fonctions suivantes : permettre le partage de la mémoire (pour un système multi-tâches) ; permettre d'allouer des blocs de mémoire aux différentes tâches ; protéger les espaces mémoire utilisés (empêcher par exemple à un utilisateur de modifier une tâche exécutée par un autre utilisateur) ; optimiser la quantité de mémoire disponible, notamment par des mécanismes d'extension de la mémoire. Pour cela il existe plusieurs méthodes : - La gestion sans recouvrement ni pagination - la gestion avec recouvrement sans pagination - la gestion avec recouvrement, avec pagination ou segmentation 1- Gestion sans recouvrement ni pagination Afin de garantir de façon transparente mais flexible, l'amorçage d'un système quelconque, on retrouve souvent une combinaison des deux approches (RAM et ROM). La ROM contient alors un système minimal permettant de piloter les périphériques de base (clavier -- disque écran) et de charger le code d'amorçage à un endroit bien précis. Ce code est exécuté lors de la mise sous tension de l'ordinateur, et le «vrai» système d'exploitation, se trouvant dans la zone d'amorçage sur le disque, est ensuite chargé, prenant le relais du système minimal. 12 Les mémoires du PC

13 2- Gestion avec recouvrement sans pagination Dès que le nombre de processus devient supérieur au nombre de partitions, il faut pouvoir simuler la présence en mémoire centrale (MC) de tous les processus pour pouvoir satisfaire au principe d'équité et minimiser le temps de réponse des processus. La technique du recouvrement permet de stocker temporairement sur disque des images de processus afin de libérer de la MC pour d'autres processus. On pourrait utiliser des partitions fixes, mais on utilise en pratique des partitions de taille variable, car le nombre, la taille et la position des processus peuvent varier dynamiquement au cours du temps. On n'est plus limité par des partitions trop grandes ou trop petites comme avec les partitions fixes. Cette amélioration de l'usage de la MC nécessite un mécanisme plus complexe d'allocation et de libération. 3- Gestion avec recouvrement, avec pagination ou segmentation La taille d'un processus doit pouvoir dépasser la taille de la mémoire physique disponible, même si l'on enlève tous les autres processus. En 1961, J. FOTHERINGHAM proposa le principe de la mémoire virtuelle : le SE conserve en mémoire centrale les parties utilisées des processus et stocke, si nécessaire, le reste sur disque. Mémoire virtuelle et multiprogrammation se complètent bien : un processus en attente d'une ressource n'est plus conservé en MC, si cela s'avère nécessaire. La mémoire virtuelle fait appel à deux mécanismes : segmentation ou pagination. La mémoire est divisée en segments ou pages. a- La pagination L'espace d'adressage d'un processus est divisé en petites unités de taille fixe appelées pages. La MC (Memoire Centrale) est elle aussi découpée en unités physiques de même taille appelées cadres. Les échanges entre MC et disques ne portent que sur des pages entières. De ce fait, l'espace d'adressage d'un processus est potentiellement illimité (limité à l'espace mémoire total de la machine). On parle alors d'adressage virtuel. 13 Les mémoires du PC

14 Pour un processus, le système ne chargera que les pages utilisées. Mais la demande de pages à charger peut être plus élevée que le nombre de cadres disponibles. Une gestion de l'allocation des cadres libres est nécessaire. b- La segmentation Dans cette solution, l'espace d'adressage d'un processus est divisé en segments, générés à la compilation. Chaque segment est repéré par son numéro S et sa longueur variable L. Un segment est un ensemble d'adresses virtuelles contiguës. Contrairement à la pagination, la segmentation est "connue" du processus : une adresse n'est plus donnée de façon absolue par rapport au début de l'adressage virtuel; une adresse est donnée par un couple (S, d), où S est le n du segment et d le déplacement dans le segment, d [0, L [. La segmentation simplifie la gestion des objets communs, notamment si leur taille évolue dynamiquement. IV- Notion de hiérarchie mémoire Une mémoire idéale serait une mémoire de grande capacité, capable de stocker un maximum d informations et possédant un temps d accès très faible afin de pouvoir travailler rapidement sur ces informations. 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. En effet, c est là que se trouve le goulot d étranglement entre un microprocesseur capable de traiter des informations très rapidement et une mémoire beaucoup plus lente (ex : processeur actuel à 3Ghz et mémoire à 400MHz). Or, on n a jamais besoin de toutes les informations au même moment. Afin d obtenir le meilleur compromis coût-performance, on définie donc une hiérarchie mémoire. On utilise des mémoires de faible capacité mais très rapide pour stocker les informations dont le microprocesseur se sert le plus et on utilise des mémoires de capacité importante mais beaucoup plus lente pour stocker les informations dont le microprocesseur se sert le moins. Ainsi, plus on s éloigne du microprocesseur et plus la capacité et le temps d accès des mémoires vont augmenter. 14 Les mémoires du PC

15 - 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 d appui sert de mémoire intermédiaire entre la mémoire centrale et les mémoires de masse. Elle joue le même rôle que la mémoire cache. - La mémoire de masse est une mémoire périphérique de grande capacité utilisée pour le stockage permanent ou la sauvegarde des informations. Elle utilise pour cela des supports magnétiques (disque dur, ZIP) ou optiques (CDROM, DVDROM). 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 d appui sert de mémoire intermédiaire entre la mémoire centrale et les mémoires de masse. Elle joue le même rôle que la mémoire cache. - La mémoire de masse est une mémoire périphérique de grande capacité utilisée pour le stockage permanent ou la sauvegarde des informations. Elle utilise pour cela des supports magnétiques (disque dur, ZIP) ou optiques (CDROM, DVDROM). Conclusion 15 Les mémoires du PC

16 Une mémoire est un dispositif capable d'enregistrer des informations, de conserver ces informations aussi longtemps que nécessaire ou que possible, et de les restituer à la demande. Il existe deux types de mémoire dans le système informatique qui sont classées en deux groupes: la mémoire centrale qui est très rapide, physiquement peu encombrante mais coûteuse, c'est la mémoire de travail de l'ordinateur ; la mémoire de masse ou mémoire auxiliaire, qui est plus lente, assez encombrante physiquement, mais meilleur marché, c'est la mémoire de «sauvegarde» des informations. SOURCES Les mémoires du PC

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