Comment fonctionne la mémoire ram ?

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Nous avons indiqué précédemment comment la mémoire stocke les informations à
un endroit rapidement accessible pour la CPU. Voyons maintenant comment cela
fonctionne en détail.

1- INTÉRACTION ENTRE LA MÉMOIRE ET LE PROCESSEUR



La CPU (unité centrale) est souvent appelée le cerveau de la machine. En effet, c'est
l'endroit où s'effectuent les calculs.
Le jeu de puces (chipset) vient soutenir les tâches de la CPU. Il comprend
généralement plusieurs "contrôleurs" qui gèrent la manière dont les informations
circulent entre le processeur et les autres composantes du système. Certains
systèmes sont dotés de plusieurs chipsets.
Le contrôleur de mémoire, qui fait partie du chipset, commande le flux
d'informations entre la mémoire et la CPU.
Contrôleur
de
bus PCI
Processeur Pentium®
avec caches L1 et L2 intégrés
(bus entre la CPU et le cache L2)
Contrôleur
de
mémoire
Bus frontal
Connecteurs
d'extension de mémoire
Jeu de puces
Bus frontal
Contrôleur
de mémoire
CPU
Un bus est un chemin de données sur l'ordinateur; il est composé de plusieurs fils
parallèles auxquels sont connectés la CPU, la mémoire et toutes les unités
d'entrée/sortie. La conception du bus (son architecture), détermine la quantité de
données circulant sur la carte mère ainsi que la vitesse de transfert. Dans un
système, il existe plusieurs types de bus, en fonction des vitesses requises par
chacun des composants particuliers. Le bus mémoire relie le contrôleur de
mémoire aux connecteurs de mémoire de l'ordinateur. Les systèmes les plus récents
présentent une architecture avec un bus FSN (frontside bus) qui relie la CPU à la
mémoire principale et un bus BSB (backside bus) qui associe le contrôleur de
mémoire au cache L2.

VITESSE DE LA MÉMOIRE
Lorsque la CPU a besoin d'informations en mémoire, elle envoie une demande, qui
est gérée par le contrôleur de mémoire. Ce dernier transmet la demande à la
mémoire et indique à l'unité centrale quand elle pourra disposer de l'information.
Le cycle entier – de la CPU au contrôleur de mémoire avec retour à la CPU – peut
demander plus ou moins de temps, en fonction de la vitesse de la mémoire et de
différents autres facteurs, par exemple la vitesse de transfert du bus.
La vitesse d'une mémoire est parfois mesurée en mégahertz (MHz) ou en temps
d'accès – temps réel nécessaire pour fournir les données – exprimé en
nanosecondes (ns). Qu'elle soit exprimée en mégahertz ou en nanosecondes, cette
vitesse indique la rapidité de réponse à une demande, une fois celle-ci reçue.

TEMPS D'ACCÈS (NANOSECONDES)
Le temps d'accès mesure l'intervalle de temps entre la réception d'une demande de
données par le module mémoire et la disponibilité de ces données. Les puces et
modules mémoire sont ainsi identifiés par leur temps d'accès, compris entre 80 ns
et 50 ns. Une valeur basse (mesure en nanosecondes) correspond à une vitesse
élevée.


Dans notre exemple, il
s'écoule 70 ns entre
une demande du
contrôleur de
mémoire et la réponse
de la mémoire. La
CPU reçoit les
données en 125 ns
environ. Donc,
l'intervalle de temps
total entre la première
demande
d'information par la
CPU et la réception
de ces informations
peut atteindre 195 ns
lorsque l'on utilise un
module mémoire à 70
ns. Il faut en effet un
certain temps au
contrôleur de
mémoire pour gérer
le flux d'informations,
auquel s'ajoute le
temps de transfert sur
le bus, entre le module
mémoire et la CPU.
72-Pin, 70ns SIMMs
CPU
125ns
contrôleur de mémoire
70ns
MÉGAHERTZ (MHZ)
Depuis l'utilisation de la technologie des DRAM synchrones (SDRAM), les puces
mémoire sont synchronisées avec l'horloge système de l'ordinateur, ce qui rend
plus aisée la mesure de la vitesse, en mégahertz ou en millions de cycles par
seconde. Comme cette dernière unité de mesure est utilisée dans le reste du
système, il est donc plus facile de comparer la vitesse des différentes composantes
et de synchroniser leurs fonctions. Pour mieux comprendre le problème de la
vitesse, il est important de connaître le fonctionnement de l'horloge système.
HORLOGE SYSTÈME
L'horloge système est résidente sur la carte mère. Elle envoie un signal rythmé à
toutes les autres unités du système, comme un métronome. Ce rythme est
généralement représenté sous la forme d'une onde carrée, comme ci-dessous.

En réalité toutefois, le signal d'horloge, visualisé par un oscilloscope, a plutôt la
forme indiquée ci-après.

Chaque ondulation du signal correspond à un . Si l'horloge système fonctionne à
100 MHz, cela indique qu'elle effectue 100 millions de cycles par seconde.
Chacune des tâches de l'ordinateur est rythmée par les cycles. Lors du traitement
d'une demande, le contrôleur de mémoire indique, par exemple, que les données
demandées seront disponibles dans six cycles d'horloge.
La CPU ou d'autres unités peuvent fonctionner à une vitesse inférieure ou
supérieure à l'horloge système. Pour synchroniser un élément à vitesse différente,
on applique simplement un facteur de multiplication ou de division. Par exemple,
si une horloge système à 100 MHz est associée à une CPU à 400 MHz, un cycle
d'horloge du système est égal à quatre cycles d'horloge de la CPU. La
synchronisation est assurée à l'aide du facteur quatre.
Beaucoup d'utilisateurs pensent que la vitesse du processeur est celle de
l'ordinateur. Pourtant, la plupart du temps, le bus système ainsi que d'autre
éléments fonctionnent à des vitesses différentes.

2- MAXIMISER LES PERFORMANCES (retour haut de page)

Au cours des dernières années, la vitesse des processeurs a considérablement
augmenté. Ceci a fait progresser les performances générales de l'ordinateur.
Toutefois, le processeur n'est qu'un élément de la machine: pour effectuer ses
tâches, il dépend d'autres composantes. Comme toutes les informations traitées par
la CPU doivent nécessairement être lues ou inscrites en mémoire, les performances
globales sont donc grandement tributaires de la vitesse de circulation des
informations entre la CPU et la mémoire principale.
Ainsi, l'adoption de technologies mémoire plus rapides contribue pour beaucoup
aux performances globales d'un système. Pourtant, accroître la vitesse de la
mémoire n'est qu'un élément de solution. Le temps nécessaire à l'information pour
circuler entre la mémoire et le processeur est généralement plus long que le temps
de traitement par ce dernier. Les technologies et innovations décrites dans ce
chapitre contribuent à accélérer le processus de communication entre mémoire et
processeur.

MÉMOIRE CACHE
La mémoire cache (ou antémémoire) est une mémoire à haute vitesse, de taille
relativement modeste (moins de 1 Mo le plus souvent), implantée à proximité
immédiate de la CPU. La mémoire cache fournit à la CPU les données et les
instructions les plus fréquemment utilisées. Comme la recherche dans la mémoire
cache ne demande qu'une fraction du temps nécessaire pour accéder à la mémoire
principale, l'emploi d'une mémoire cache représente un gain de temps substantiel.
Si l'information ne figure pas dans la mémoire cache, elle sera prélevée dans la
mémoire principale; mais, comme la recherche préalable dans la mémoire cache est
extrêmement rapide, ce type de fonctionnement demeure très efficace. Cela
correspond à vérifier d'abord dans votre réfrigérateur si vous disposez de l'aliment
recherché avant d'aller au magasin pour l'acheter: il est fort probable qu'il s'y trouve
et cela ne demande qu'un instant pour le contrôler.
Le principe sur lequel est fondée la mémoire cache est la règle "80/20". Elle précise
que, sur tous les programmes, informations et données présents dans votre
ordinateur, environ 20% sont utilisés durant 80% du temps. (Ces 20% peuvent
englober le code nécessaire pour envoyer ou effacer un e-mail, sauvegarder un
fichier sur le disque dur ou simplement reconnaître la touche que vous tapez au
clavier). Par conséquent, les 80 % de données restantes sont utilisées durant 20 %
du temps. L'emploi d'une mémoire cache est donc tout à fait justifié puisqu'il existe
de fortes chances pour que les données et instructions, utilisées actuellement par la
CPU, le soient de nouveau par la suite.

COMMENT FONCTIONNE UNE MÉMOIRE CACHE
La mémoire cache est la "liste d'accès direct" de la CPU. Le contrôleur de mémoire
y stocke les instructions demandées par l'unité centrale; chaque fois que la CPU
prélève une instruction dans le cache – "présence dans l'antémémoire" – elle est
placée en haut de la liste. Lorsque le cache est plein et que la CPU effectue une
nouvelle demande, le système écrase les données inutilisées depuis le plus
longtemps. Ainsi, les informations de haute priorité, nécessaires en permanence,
figurent toujours dans le cache alors que les moins utilisées disparaissent.

NIVEAUX DE CACHE
Aujourd'hui, dans la plupart des cas, la mémoire cache est intégrée dans la puce du
processeur; toutefois, d'autres configurations sont possibles. Dans certains cas, on
trouve un cache implanté à l'intérieur du processeur, un autre placé juste à
l'extérieur de ce processeur, sur la carte mère et/ou un connecteur, disposé à côté de
la CPU qui reçoit un module de mémoire cache. Quelle que soit la configuration, il
est affecté à chaque cache un "niveau", correspondant à sa proximité par rapport au
processeur. Par exemple, le cache le plus près du processeur est appelé cache de
niveau 1 (L1), le cache suivant est le L2, puis le L3 et ainsi de suite. En plus de
caches mémoire, les ordinateurs sont dotés d'autres types de cache. Dans certains
cas, le système utilise la mémoire principale comme cache pour le disque dur. Même
si nous n'allons pas parler ici de ce type de scénario, il est important de savoir que
le terme de cache peut s'appliquer spécialement à la mémoire, mais aussi à d'autres
technologies de stockage des données.
Vous vous posez peut-être
la question suivante: puisque
l'implantation d'une
mémoire cache à proximité
du processeur est si
bénéfique, pourquoi n'utiliset-
on pas un cache pour
l'ensemble de la mémoire
principale? Pour une simple
raison : la mémoire cache
est un type de puce appelé
SRAM (RAM statique), très
coûteux et qui occupe plus
d'espace par méga-octet
que les DRAM,
généralement employées
pour la mémoire principale.
De plus, si la mémoire cache
améliore les performances
globales du système, elle ne
le fait que jusqu'à un certain
point. L'avantage réel du
cache est de stocker les
instructions les plus
fréquemment nécessaires.Un
cache plus important
contiendrait une quantité
supérieure de données, mais
si elles ne sont pas souvent
demandées, il n'y a guère
d'avantage à les conserver à
proximité du processeur.















La mémoire principale a
besoin de 195 ns pour
répondre à une
demande de la CPU. Le
cache externe n'a besoin
que de 45 ns
Mémoire principale
CPU avec cache
interne de 16 Ko
(niveau 1)
Cache externe de
256 Ko (niveau 2
CONFIGURATION DE LA CARTE SYSTÈME
Comme vous l'avez probablement deviné, l'emplacement des modules mémoire sur
la carte système a un effet direct sur les performances du système. Comme la
mémoire locale doit contenir toutes les informations à traiter par la CPU, la vitesse
de transfert entre la mémoire et la CPU est critique pour les performances globales
de la machine. Comme les échanges d'information entre la CPU et la mémoire
impliquent une synchronisation complexe, la distance entre processeur et mémoire
constitue elle aussi un facteur majeur.

ENTRELACEMENT
Le terme entrelacement décrit le processus de communication alternée entre la
CPU et deux ou plusieurs bancs de mémoire. La technologie de l'entrelacement est
souvent retenue dans les grands système comme les serveurs et les stations de
travail. Son principe est le suivant: chaque fois que la CPU effectue un adressage en
direction d'un banc de mémoire, celui-ci a besoin d'environ un cycle d'horloge
pour "se réinitialiser". La CPU peut gagner du temps en activant un second banc,
pendant que le premier se réinitialise. L'entrelacement peut aussi intervenir entre
puces mémoire pour améliorer les performances. Par exemple, les cellules mémoire
à l'intérieur d'un puce SDRAM sont divisées en deux bancs indépendants,
activables simultanément. L'entrelacement entre ces deux bancs permet d'obtenir
un flux continu de données. Cela écourte le cycle mémoire total et autorise des
transferts de données plus rapides.

MODE DE TRANSFERT EN RAFALE (BURSTING)
Le mode rafale est une autre technologie pour gagner du temps. Elle fournit à la
CPU des données complémentaires en provenance de la mémoire, en supposant
qu'elle en aura besoin. Donc, au lieu de rechercher une à une les informations, la
CPU reçoit un bloc correspondant à plusieurs adresses consécutives en mémoire.
Cela représente un gain de temps car, sur le plan statistique, il est probable que
l'adresse suivante, demandée par le processeur, sera séquentielle à la précédente.
Ainsi, la CPU obtient toutes les instructions nécessaires sans avoir à effectuer de
demande individuelle pour chacune d'entre elles. Compatible avec différents types
de mémoire, le mode rafale fonctionne aussi bien en lecture qu'en écriture.

ADRESSAGE PIPELINE
L'adressage pipeline est une technique de traitement informatique où une tâche est
divisée en une série d'étapes où une tâche est réalisée à chaque étape. En divisant
une tâche importante en une série de petites tâches, qui se chevauchent, le mode
pipeline améliore les performances par rapport au traitement normal. Une fois
lancé le flux de données dans le pipeline, la vitesse d'exécution est élevée, en dépit
du nombre d'étapes réalisé.

Le mode rafale et
l'adressage pipeline ont
été popularisés au
moment où la
technologie EDO est
apparue. Les puces EDO
utilisant ces fonctions
sont appelées "Burst
EDO" ou "Pipeline Burst
EDO".

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