CHAPITRE II LA MÉMOIRE PLAN PLAN 04/02/2017. Faculté des Sciences de Gabes Département d informatique. Introduction. Introduction. Hiérarchie mémoire

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1 CHAPITRE II LA MÉMOIRE Par : Khaled Hassine Khaled.hassine@fsg.rnu.tn 1 2 PLAN Introduction Caractéristiques de la mémoire Hiérarchie mémoire La mémoire centrale La mémoire auxiliaire PLAN Introduction Caractéristiques de la mémoire Hiérarchie mémoire La mémoire centrale La mémoire auxiliaire 3 4 Cours Architecture des ordinateurs 1

2 Introduction La mémoire est une juxtaposition de cellules ou mots mémoires ou cases mémoires. Rôle : enregistrer les informations les restituer dans leur intégrité Chacune de ces cellules est identifiée d'une manière unique par un numéro (l'adresse) Introduction Les informations en mémoire sont de deux types : des données (sur les quelles agissent ces instructions) des programmes (les instructions) Deux catégories de mémoires dans un ordinateur : Centrale : électronique, indispensable pour l'exécution des programmes Auxiliaire (secondaire) : magnétique ou optique (Disque dur, CD-ROM, ) 5 6 PLAN Introduction Caractéristiques de la mémoire Hiérarchie mémoire La mémoire centrale Temps d'accès Temps d accès : la durée qui s'écoule entre le moment où on fournit une adresse et celui où on est sûr que la donnée récupérée est significative (valide). Mémoire centrale : nanosecondes Mémoires auxiliaires : millisecondes Adresse (1 s pour MC contre 3 jours pour M. Aux.) UC MC Données La mémoire auxiliaire 7 8 Cours Architecture des ordinateurs 2

3 Temps de cycle Le temps de cycle : le temps minimal entre deux accès successifs à la mémoire. Généralement plus long que le temps d'accès Objet : Maintien de la stabilité des informations Temps d accès versus temps de cycle Adresse Données lues 00 ff 4a 5b Temps d'accès Temps de cycle 9 10 Caractéristiques Caractéristiques La taille (capacité) : quantité d'informations enregistrées dans une mémoire Mémoire centrale : 4 à 16 Giga-octets Disque dur : centaines de Giga-octets Augmentation d'un facteur de 4 tous les deux ans Le débit (ou la cadence de transfert) : le nombre d'informations binaires lues ou écrites par unité de temps (bit par seconde - bps) La non-volatilité : la capacité de maintenir stable l'information hors alimentation électrique Mémoires auxiliaires (magnétiques, optique, ) : non volatiles Mémoires électroniques : généralement volatiles. Le mode d'accès : la manière dont on accède à une information. Deux types d'accès : direct : rapide - Les mémoires électroniques et les disques séquentiel : lent - Les bandes magnétiques. L'encombrement physique : l'espace occupé (l intégration large échèle) Le coût de mémorisation : le prix de revient de la mémoire. Les mémoires électroniques : coût élevé (faible taille). Les mémoires magnétiques (auxiliaires) moins chères. La fiabilité : la résistance aux pannes. MTBF : Mean Time Between Failure : temps moyen entre deux pannes La portabilité : les mémoires amovibles ou non amovibles Cours Architecture des ordinateurs 3

4 Caractéristiques contradictoires PLAN Difficultés de se regrouper aux meilleures échelles dans une même catégorie de mémoire. Exemple : Le temps d'accès court impose un prix de revient élevé, et par conséquent, la limitation de la taille mémoire. Meilleur compromis : une mémoire centrale : volatile, à capacité acceptable, volume réduit, un accès rapide et direct une ou plusieurs mémoires secondaires : de grande capacité, peu chère et non volatile Introduction Caractéristiques de la mémoire Hiérarchie mémoire La mémoire centrale La mémoire auxiliaire Hiérarchie mémoire Pourquoi une hiérarchie de mémoire? Registre 1ns, 100 O Mémoire cache niveau 1 1ns, 1K0 Mémoire cache niveau 2 10ns, 521K0 Mémoire centrale s, 1-16 Go Mémoire auxiliaire ms, 1 TO Plus la mémoire a un temps d accès petit, plus elle coûte cher. Il vaut donc la peine d utiliser le moins possible de mémoire rapide tout en conservant une performance acceptable: Touchant le processeur, on a la mémoire la plus rapide (et aussi la plus chère) En bout de ligne, on a la mémoire auxiliaire (disque, ) De nos jours, le premier niveau de mémoire cache se trouve souvent sur le même chip que le processeur. 15 Cours Architecture des ordinateurs 4

5 Hiérarchie mémoire Principe de localité Registre processeur UCC UAL Mémoire cache Interne L1 ~ nsec Mémoire cache externe L2 10 nsec Postulat : Si on accède à une cellule mémoire à un instant t, il y a des fortes chances que les accès suivants seront à un voisinage de celle ci. Registres Adresse L1 Non trouvée L2 Non trouvée MC MC Mémoire centrale nsec Disque ~msec Localité spatiale et temporelle Pourquoi les mémoires caches fonctionnent-elles? La localité temporelle indique que des éléments auxquels on a eu accès récemment seront probablement utilisés dans un futur proche. La localité spatiale indique que des éléments proches ont tendances à être référencés à des instants proches. Les mémoires caches fonctionnent parce que les mêmes instructions sont réutilisées de multiples fois (évidemment si chaque instruction n était utilisée qu une seule fois, l utilisation de la mémoire cache ne serait pas très en vogue ) On parle de localité des références: Localité temporelle Les instructions utilisées récemment sont souvent réutilisées Localité spatiale Les instructions voisines sont souvent exécutées de concert Localité séquentielle Les branchements constituent de 20 à 30% des instructions. Donc, de 70 à 80% des instructions s exécutent toujours en séquence Les branchements vont souvent prendre les mêmes chemins pendant un certain temps (les branchements sont corrélés) 19 Cours Architecture des ordinateurs 5

6 Hiérarchie mémoire PLAN Registre Introduction MC L2 L1 Caractéristiques de la mémoire Hiérarchie mémoire La mémoire centrale La mémoire auxiliaire La mémoire centrale (main memory) Contient les instructions et les données ainsi qu'une partie du système d'exploitation Un programme ne peut être exécuté que s il réside en mémoire centrale. Une information rangée en mémoire est une suite binaire qui ne prend sens que lors de l'utilisation. Le nom d une cellule dépend de sa taille : 8 bits correspond à un octet (byte). Un mot (Word) est composé de 2 k octets (16 bits, 32 bits,...). Une mémoire est dite adressable par octet si, à chaque octet, est associée une adresse différente. La mémoire centrale Adresse (n bits) Numéro (adresse) n -1 m-1 0 Les bits sont numérotés Données (mbits) de droite à gauche (de 0 à m-1) : du bit de poids faible (LSB : Least Significant Bit) vers le bit de poids fort (MSB : Most Significant Bit) Chaque cellule peut contenir l une des 2 m informations différentes. L'information déposée dans cette cellule s'appelle contenu Cours Architecture des ordinateurs 6

7 Chronogramme de lecture Chronogramme d écriture Commande d écriture Différents types de mémoire Mémoire morte : ROM (Read Only Memory mémoires à lecture seule). Mémoire vive appelée par abus de langage RAM (Random Access Memory, mémoire à accès aléatoires : c.-à-d., le temps d'accès à l'information est le même quel que soit l emplacement. La mémoire centrale d'un ordinateur comporte : une partie ROM (fournie par le constructeur) de taille relativement petite une partie majoritaire, vive, nécessaire pour le bon déroulement des programmes. Mémoire centrale La mémoire morte La mémoire vive Organisation de la mémoire Cours Architecture des ordinateurs 7

8 La mémoire morte La mémoire morte Fenêtre pour effacer les données 29 UV- PROM 30 Utilisation de la mémoire morte Principalement utilisée pour conserver les données nécessaires au démarrage de l'ordinateur : - Le BIOS (Basic Input Output System) est un programme permettant de piloter les interfaces d'entrée-sortie principales du système - Le chargeur d'amorce : un programme permettant de charger le système d'exploitation en mémoire (vive) et de le lancer. - Le Setup CMOS permet de modifier les paramètres du système. - Le Power-On Self Test (POST), programme exécuté automatiquement à l'amorçage du système permettant de tester la configuration matérielle du système (par exemple, calcul de taille de la RAM au démarrage). Mémoire centrale La mémoire morte La mémoire vive Organisation de la mémoire Cours Architecture des ordinateurs 8

9 La mémoire vive (lecture et écriture) Fabrication de DRAM et SRAM Appelée par abus de langage : RAM (Random Acces Memory) Utilisée essentiellement pour stocker les programmes (code et données) utilisateurs et systèmes. Mémoire volatile : Information disponible tant que le courant est présent 2 types de RAM : Statique RAM (SRAM) : 1 bit = une bascule D (4 à 6 transistors) Dynamique RAM (DRAM) : Un bit = une capacité (1 transistor) Data DRAM Select Stockage de la Charge Select Line V DD Q Q/ Bit Line - Bit Line + SRAM Les RAM Statiques (SRAM) Les RAM Dynamiques (DRAM) Rapide : Temps d accès = temps de cycle 1 à 5 nsec Capacité limitée par rapport à DRAM Prix élevé Niveau d intégration faible ( 1 à 4 MO) Utilisée comme : mémoires caches niveau 1 et 2. Registres Information stockée dans un condensateur sous forme de charge électrique et un transistor Intégration élevée Capacité importante Faible coût Cours Architecture des ordinateurs 9

10 Les RAM Dynamiques (DRAM) Besoin de rafraîchissements périodiques : lire le bit et le réécrire environ toutes les 10 nsec. Tension en volts temps Avec rafraîchissement 1 Sans rafraîchissement 37 0 Structure d une DRAM Circuit de rafraîchissement adresse Passe à 1 tous les 10 nsec CAS : Colonne Address Selection RAS : Row Address Selection 1 0 Adresse ligne 11bits A 10 -A 0 RAS décodeur Adresse colonne 11bits A 21 -A 11 Din DRAM 4Mbits (2048x2048) 2048 bits Multiplex 1/ bit Dout 1 ligne de 2048 bits CAS 38 Adressage de la mémoire Mémoire centrale La mémoire morte La mémoire vive Organisation de la mémoire Processeur Contrôle Adresses Décodeur Carte 3D Clavier Réseau Mémoire 2 Mémoire 1 Données Cours Architecture des ordinateurs 10

11 Organisation d une mémoire Broches d une mémoire Mot 3 Bus données Mot 2 A 2 A 3 Mot 1 Mot cs 0 cs 3 cs 2 cs1 Circuit mémoire de 4 Mots de 4 bits chacun 41 NB: Les signaux - (Chip Select) - (Write Read) sont actifs à 0 (niveau bas) CI RAM de 4 mots de taille 4 bits chacune 42 Broches d un boitier mémoire Chip mémoire Une ligne d'alimentation (Vcc) et une ligne de masse (Gnd) ; N lignes d'adresses (A 0,... A N-1 ) permettant la sélection d'une cellule parmi 2 N ; M lignes de données (D 0,... D M-1 ) permettant le transfert du ou vers l'unité centrale des bits à lire ou à écrire, M est la taille d une cellule de la mémoire ; Une entrée (Chip Select) permettant la sélection du boîtier ; Une ligne R/W (Read/Write) permettant de commander la lecture ou l'écriture de la cellule mémoire. Vcc RAM 0 D 1 A 0 D 1K x 8 bits 2 A 1 A 9 Gnd D 7 R/W Cours Architecture des ordinateurs 11

12 Connexion des boitiers mémoire Ajout horizontal de CI pour augmenter le nombre de bits d un mot Connexion des boitiers mémoire Ajout vertical de CI pour augmenter le nombre de mots Une mémoire de 4 mots de 8 bits chacun 45 Une mémoire de 8 mots de 4 bits chacun 46 Connexion des boitiers mémoire On dispose de 4 boitiers mémoire de : ilos x 8 bits Organiser ces boitiers pour avoir : 256 (4x64) K x 8 bits : ajout vertical x 32 (4x8) bits : ajout horizontal 128 (2x64) K x 16 (2x8) bits : ajout mixte A A 0-15 Bus de données Circuits d adressage et de sélection A 0-15 RAM A 0-15 RAM A 0-15 RAM A K Une mémoire de 256 K x 8 bits Bus d adresse RAM D 0-7 D 0-7 D 0-7 D 0-7 D 0-7 A Cours Architecture des ordinateurs 12

13 Circuits d adressage et de sélection Circuits d adressage et de sélection A 16 Bus d adresse A 0-15 Bus d adresse A 0-15 A 0-15 RAM A 0-15 RAM A 0-15 RAM A 0-15 RAM A 0-15 RAM A 0-15 RAM A 0-15 RAM A 0-15 RAM D 0-16 Bus de données A 16 D 0-7 D 8-15 D 0-7 D 8-15 Une mémoire de 128 K x 16 bits 49 D 0-7 D 8-15 D D Bus de données Une mémoire de x 32 bits 50 Connexion de plusieurs boitiers Adressage de la mémoire Cours Architecture des ordinateurs 13

14 Cartographie - Mapping Problème de conflit Problème si deux au moins parmi A 13, A 14 et A 15 passent à 1 en même temps. 2 solutions possibles : assurer une priorité Solution 1 : câblage des entrées Mémoire 1 : A 13 Mémoire 2 : A 13 =0 A 14 =1 Mémoire 3 : A 13 =A 14 =0 A 15 =1 Solutions 2 : utiliser un décodeur 3 entrées Remarque : on peut se contenter d un décodeur 2 entrées A retenir Espace de travail Taille d une mémoire = (Adresse fin-adresse début +1) x Taille d une cellule Cours Architecture des ordinateurs 14

15 PLAN Introduction Caractéristiques de la mémoire Hiérarchie mémoire La mémoire centrale La mémoire auxiliaire Disque dur Axe tournant Secteur Piste Cylindre Têtes de lecture/ écriture (une par surface) Bras porte têtes Sens de déplacement des bras Têtes de lecture-écriture Têtes de lecture-écriture Cours Architecture des ordinateurs 15

16 Têtes de lecture-écriture Alimentation des disques durs Cours Architecture des ordinateurs 16

17 Organisation interne du disque dur Formatage d un disque dur Plateau : platters Pistes : Tracks Secteurs : Sectors Le secteur est une unité indivisible Le disque dur Géométrie (plateaux + têtes ; une tête par face de plateau) Pistes et secteurs Formatage : Physique (en usine) logique (OS) Capacité : en Giga-octets. Un Go = 1000 livres de 500 pages! Vitesse de rotation : 7 à 10 milles rotations par mn (RPM) Caractéristique: capacité de stockage + performance: Temps d accès : en millisecondes (ms), 6 à 14, selon rotation plateaux et vitesse de déplacement de la tête, Taux de transfert : échange avec carte mère, en Mo par seconde (ex. 66 Mo par sec). Mise en veille (hibernation) : économie d énergie Partitionnement : Une partition par OS Une partition pour les données Cours Architecture des ordinateurs 17

18 Etapes d accès aux données Positionnement sur le cylindre où se trouve la donnée : déplacement longitudinale du porte têtes (latence longitudinale) Positionnement sur le secteur à lire : rotation de l axe porte plateau Lecture et transfert des données Cours Architecture des ordinateurs 18