THEME 2 : L ARCHITECTURE D UN ORDINATEUR. Dossier 1. Objectifs

Architecture Matérielle des Systèmes informatiques. S1S1 BTS Informatique de Gestion 1 ère année THEME 2 : L ARCHITECTURE D UN ORDINATEUR Dossier 1 Les différentes formes de mémoire. Objectifs Connaître les technologies des barrettes mémoires et des autres mémoires. 1 La mémoire vive de l ordinateur. 1.1. Les barrettes mémoire. 1.2. Les barrettes SIMM. 1.3. Les barrettes DIMM. Plan de la séquence 2. Les différents types de RAM. 2.1. La DRAM. 2.2. La SDRAM. 2.3. la SRAM. 2.4. Comparatif des différentes technologies de barrettes mémoires. 3. Les autres mémoires. 3.1. La mémoire vidéo VRAM. 3.2. La mémoire des paramètres CMOS. 3.3. La mémoire cache. T2D1. Les différentes formes de mémoire. 1

1. La mémoire vive de l ordinateur. Il existe de nombreux types de mémoires vives. Celles-ci se présentent toutes sous la forme de barrettes de mémoire enfichables sur la carte-mère. 1.1. Les barrettes mémoires. Les premières mémoires se présentaient sous la forme de puces appelées DIP (Dual Inline Package). Désormais les mémoires se trouvent généralement sous la forme de barrettes, c'est-àdire des cartes enfichables dans des connecteurs prévus à cet effet. On distingue deux types de barrettes de RAM : les barrettes au format SIMM (Single Inline Memory Module) et les barrettes au format DIMM (Dual Inline Memory Module) : ce sont des circuits imprimés possédant respectivement sur une ou deux faces des puces de mémoire. 1.2. Les barrettes SIMM. Les barrettes au format SIMM (Single Inline Memory Module) ne possèdent de puces de mémoire que sur un seul côté. Il existe deux types de barrettes SIMM, selon le nombre de connecteurs : Les barrettes SIMM à 30 connecteurs (dont les dimensions sont 89x13mm) sont des mémoires 8 bits qui équipaient les premières générations de PC (286, 386). Les barrettes SIMM à 72 connecteurs (dont les dimensions sont 108x25mm) sont des mémoires capables de gérer 32 bits de données simultanément. Ces mémoires équipent des PC allant du 386DX aux premiers pentiums. Sur ces derniers, le processeur travaille avec un bus de données d'une largeur de 64 bits, c'est la raison pour laquelle il faut absolument équiper ces ordinateurs de deux barrettes SIMM. Il n'est pas possible d'installer des barrettes 30 broches sur des emplacements à 72 connecteurs dans la mesure où un détrompeur (encoche au centre des connecteurs) en empêche l'enfichage. 1.3. Les barrettes DIMM. Les barrettes au format DIMM (Dual Inline Memory Module) sont des mémoires 64 bits, ce qui explique pourquoi il n'est pas nécessaire de les apparier. Les barrettes DIMM possèdent des puces de mémoire de part et d'autre du circuit imprimé et ont également 84 connecteurs de chaque côté, ce qui les dote d'un total de 168 broches. En plus de leurs dimensions plus grandes que les barrettes SIMM, (130x25mm) ces barrettes possèdent un second détrompeur pour éviter la confusion. A noter que les connecteurs DIMM ont été améliorés afin de permettre une insertion facile des barrettes grâce à des leviers situés de part et d'autre du connecteur. T2D1. Les différentes formes de mémoire. 2

2. Les différents types de RAM. Il existe principalement trois types de RAM : La DRAM, la SRDAM et la SRAM. 2.1. La DRAM. 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. Le temps de latence est dû à la recherche et au positionnement de la lecture. Dans ce mode en rafale, le temps d'accès à la première donnée est égal au temps de cycle auquel il faut ajouter le temps de latence, et le temps d'accès aux trois autres données est uniquement égal aux temps de cycle, on note donc sous la forme X-Y-Y-Y les quatre temps d'accès, par exemple la notation 5-3-3-3 indique une mémoire pour laquelle 5 cycles d'horloge sont nécessaires pour accéder à la première donnée et 3 pour les suivantes. Les 5 cycles correspondent donc à un temps de latence de 2 cycles et une lecture de 3 cycles, comme pour les autres données. La DRAM (Dynamic RAM, RAM dynamique) est la plus ancienne mémoire utilisée, toujours sur des barrettes SIMM. Il s'agit d'une mémoire dont les transistors sont rangés dans une matrice selon des lignes et des colonnes. Un transistor, couplé à un condensateur donne l'information d'un bit. 1 octet comprenant 8 bits, une barrette de mémoire DRAM de 16 Mo contiendra donc... =... octets soit... =...bits donc... transistors. Trois générations ont vu le jour, chaque fois après une amélioration au niveau des techniques d accès aux données. La DRAM FPM (barrettes SIMM 30 connecteurs) La DRAM EDO (barrettes SIMM 72 connecteurs). Dans la mesure où la mémoire EDO n'acceptait pas des fréquences supérieures à 66 Mhz, elle a disparu au bénéfice de la SDRAM. 2.2 La SDRAM (barrettes DIMM). 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. Celle-ci permet d'obtenir un cycle en mode rafale de la forme 5-1-1-1, c'est-à-dire un gain de 3 cycles par rapport à la RAM EDO. De cette façon, la SDRAM est capable de fonctionner avec une cadence allant jusqu'à 150Mhz, lui permettant d'obtenir des temps d'accès d'environ 10ns. La DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) est une mémoire fondée sur la technologie SDRAM, permettant de doubler le taux de transfert de la SDRAM à fréquence égale. T2D1. Les différentes formes de mémoire. 3

La DR-SDRAM (Direct Rambus SDRAM ou encore RDRAM) est un type de mémoire permettant de transférer les données sur un bus de 16 bits de largeur à une cadence de 800Mhz, ce qui lui confère une bande passante de 1,6 Go/s. Comme la SDRAM, ce type de mémoire est synchronisé avec l'horloge du bus pour améliorer les échanges de données. En contrepartie, la mémoire RAMBUS est une technologie propriétaire, ce qui signifie que toute entreprise désirant construire des barrettes de RAM selon cette technologie doit reverser des droits (royalties) aux sociétés RAMBUS et Intel. Les barrettes utilisées sont spécifiques et nommées RIMM (Rambus In-Line Memory Module). La RDRAM, apparue en 1999, était la première mémoire de type DDR commercialisée en grande série. Elle devait être la mémoire de prédilection du Pentium 4 mais le fait que Rambus contrôlait les brevets et pratiquait des tarifs plutôt élevés a fait que la DDR standard s est généralisée. Le DR-SDRAM a évolué pour devenir la XDR-DRAM et maintenant la XDR2-DRAM. La XDR et la XDR2 sont des évolutions de la RDRAM. Elles ont une latence réduite et présentent des performances plus élevées que la DDR2 ou la DDR3. Elles n ont pas équipé de cartes mères de PC mais on les retrouve dans des cartes graphiques haut de gamme ou dans les mémoires des PlayStation 2 et 3 de Sony. Intel semble intéressé par cette technologie pour ses futurs processeurs 32 nm, mais rien n'a encore été décidé. 2.3. La SRAM. L inconvénient des DRAM réside dans le fait qu'elles sont dynamiques. Elles sont composées de condensateurs qui se déchargent spontanément. Il faut donc les rafraîchir (les re-remplir). La mémoire statique SRAM (Static RAM) ne nécessite pas de rafraîchissement. Elle est, en outre, beaucoup plus rapide que la mémoire dynamique. Elle équipe toutes les mémoires flash (appareils photos, clé USB, cartes bancaires ou vitales, ) 2.4. Comparatif des différentes technologies de barrettes mémoires. J Les barrettes SIMM. SIMM Fréquence FPM 33 Mhz 178 Mo/s EDO 33 MHz 264 Mo/s J Les barrettes DIMM. Pour les barrettes DIMM, il est possible de calculer leur bande passante (leur capacité de transfert de données en une seconde) ainsi : Fréquence réelle =.... Bande Passante =... T2D1. Les différentes formes de mémoire. 4

J Les barrettes DIMM SDRAM. Les barrettes SDRAM n'ont qu'un seul canal, un bus de 64 bits. Leur nom commercial commence par PC et est suffixé de leur fréquence. DIMM SDRAM Fréquence 66 Mhz 100 Mhz 133 Mhz 150 Mhz Nom commercial J Les barrettes DIMM DDR. Le nom commercial de ces barrettes commence par PC, suffixé de leur bande passante. Il arrive que PC soit suivi d'un 2 pour la DDR II et d'une 3 pour la DDR III. Enfin, la DDR I possède 2 canaux, la DDR II possède 4 canaux et la DDR III possède 8 canaux. DIMM Fréquence (MHz) du bus réelle DDR- 100 SDRAM 133 150 DDR 166 DDR I 200 133 DDR II 166 200 133 Nom commercial DDR III 166 200 J Les barrettes Rambus. Ce sont des RAM travaillant sur un bus de 16 bits. Fréquence (MHz) XDR DRAM 3200 4000 4800 XDR2 DRAM 8000 T2D1. Les différentes formes de mémoire. 5

3. Les autres mémoires 3.1. La mémoire vidéo VRAM. De nombreuses cartes vidéo possèdent leur propre mémoire, ce qui présente un double intérêt : ne pas monopoliser de la RAM et avoir de meilleurs temps d accès puisqu elle est plus proche des processeurs graphiques. Actuellement, les cartes graphiques sont équipées de GDDR2 (pour les plus anciennes et moins performantes) ou GDDR3 voire GDDR4. GDDR signifie qu'une DDR (2,3 ou 4) est utilisée en tant que RAM graphique. Certaines cartes graphiques utilisent de la XDR DRAM. 3.2. La mémoire des paramètres CMOS. La mémoire CMOS est présente dans tous les PC. Il s'agit d'une mémoire vive où sont stockées les informations concernant la configuration de votre ordinateur (nombre et types de disques durs et de lecteurs de disquettes, par exemple) ainsi que la date et l'heure. (CMOS est le nom de la technologie employée pour réaliser des composants à très faible consommation électrique.) Cette mémoire est volatile, mais alimentée par une batterie et non par l alimentation principale. Ainsi, même lorsque l ordinateur est éteint, la CMOS est conservée. 3.3. La mémoire cache. Il existe principalement 3 niveaux de mémoire cache : Layer 1 ou L1, L2 et L3. La mémoire cache est une mémoire située à l intérieur du microprocesseur. Elle offre des temps d accès ultra courts du fait de la proximité avec le processeur. J La mémoire cache L1 Elle est directement implantée dans le microprocesseur. Elle contient les instructions et données les plus souvent utilisées. C'est le processeur qui gère le contenu. Le cache L1 est apparu avec les Intel Pentium. A l'époque, sa capacité était de 8 Kio pour les données et de 8 KB pour les instructions. L'évolution de la structure interne des processeurs l'a fait passer à 128 Kio (64 + 64) pour les processeurs actuels comme les Athlon 64, Core2Duo, Core2Quad. L'utilisation optimale est surtout liée à la prédiction de branchement. Tant que le programme est linéaire, sans choix possibles, la liste des instructions stockées ne pose pas de problème. Par contre, en cas de branchement (une instruction conditionnelle), si le contenu de la mémoire est faux, la liste d'instruction doit être complètement rechargée, ce qui prend beaucoup de temps. L'utilisation du cache instruction est surtout liée à la structure pipeline des processeurs modernes. J La mémoire cache L2 La mémoire cache L2 est une mémoire tampon généralement externe au processeur. Elle est directement gérée par le processeur. La méthode actuelle permet de mieux le gérer (meilleurs performances de l'ordinateur), notamment pour la prédiction de branchement dans le cas des instructions conditionnelles. Les processeurs les plus performants l'intègrent directement dans leur architecture interne. La taille était de 16 Kio pour les premiers microprocesseurs utilisant ce principe. Les ordinateurs modernes utilisent jusque 1 Mio (Opteron d'amd) ou 2 MB (Intel Xeon). J La mémoire cache L3 La mémoire cache L3 est une mémoire tampon externe au processeur. Elle n'est implantée que dans les microprocesseurs les plus performants comme les Itanium II. La gestion du cache L3 se fait dans la majorité des cas par un contrôleur de cache externe. Néanmoins, cette méthode ralentit le traitement. Les processeurs modernes gèrent directement ce cache. Les Itanium gèrent jusque 9 Mio suivant les versions, les Xeon 1 ou 2 Mio depuis la version MP, et le i7 8Mio AMD n'a pas encore réellement implanté cette mémoire tampon (sauf dans les Phenom 3X et 4X) mais l'étudie pour ses Opteron, notamment comme mémoire partagée pour les dual-core. T2D1. Les différentes formes de mémoire. 6