Chapitre 2 La mémoire

CHAPITRE 2
LA MÉMOIRE
La mémoire, composante fondamentale des ordinateurs, joue un rôle important dans leur
fonctionnement interne. En tant qu'utilisateur, il est essentiel de comprendre les principes de son
fonctionnement et ses principales caractéristiques pour en tirer le meilleur parti.
D’une manière générale, quand on parle de mémoire, on parle d’un dispositif qui permet à un
ordinateur d’emmagasiner de l’information. C’est l’endroit où le microprocesseur enregistre
temporairement les instructions et les données des programmes qu’il exécute.
Après le microprocesseur, la mémoire est sans doute le composant le plus important dans un
ordinateur : c'est l'espace de travail du microprocesseur. Lorsque vous vous installez pour
étudier à votre bureau, la table sur laquelle vous déposez vos documents et outils représente
votre espace de travail. Plus celui ci est grand et bien organisé, plus vous serez efficace et
productif dans le travail à exécuter.
Ainsi, la quantité et le type de mémoire vont influencer grandement la performance globale de
l’ordinateur. Par exemple, on peut augmenter de près de 40 % la performance d’un ordinateur
fonctionnant sous Windows 95 en passant de 16 Mo à 64 Mo de mémoire vive, surtout lorsque
l’on exécute plusieurs applications en même temps.
Par ailleurs, la stabilité et la fiabilité de l’ordinateur dépendent de la qualité des modules de
mémoire; une mémoire de mauvaise qualité va souvent provoquer des pannes aléatoires ou des
blocages systématiques.
Dans ce chapitre, nous limiterons notre présentation au contexte du micro-ordinateur, sans
entrer dans les détails complexes de la programmation, de la conception et de la fabrication de
circuits. Ces thèmes ne seront pas abordés dans le cadre de ce cours.
2.1 Caractéristiques des mémoires
2.1.1 Volatilité
Comme nous allons le voir plus loin, la carte mère d’un ordinateur comporte plusieurs types de
mémoires. On peut les classer en deux catégories : les mémoires volatiles et les mémoires non
volatiles. Une mémoire est dite volatile si son contenu disparaît ou est effacé lorsqu’on éteint
l’ordinateur, alors qu’une mémoire non volatile garde l’information dans tous les cas. Par
exemple, lorsqu’on démarre un programme, le microprocesseur place ce programme dans la
mémoire volatile; lorsqu’on éteint l’ordinateur, toutes ces données sont immédiatement perdues.
En termes techniques, on parlera de mémoire RAM (random access memory) pour désigner la
mémoire volatile et de mémoire ROM (read only memory) pour celle qui est non volatile.
2.1.2 La vitesse et le temps d'accès
Le temps d’accès est l’intervalle de temps qui sépare la demande d’information de son
obtention. Il s’exprime en nanosecondes (ns), soit un milliardième de seconde (10-9). Le temps
d’accès des mémoires actuelles est généralement inférieur à 60 ns. Plus le chiffre est faible,
plus la vitesse est grande.
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Le taux de transfert ou bande passante des données (ou débit) s’exprime en mégaoctets par
seconde (Mo/s) : par exemple, 176 Mo/s.
2.2 Stockages primaire et secondaire
Le stockage primaire est la mémoire directement accessible par le microprocesseur : la
mémoire vive (RAM).
Le stockage secondaire est une mémoire qui n’est pas directement accessible par le
microprocesseur, par exemple le disque dur, le cédérom, les disquettes, les périphériques de
stockage de masse en général.
2.3 Accès aléatoire et accès séquentiel
On distingue généralement deux modes d’accès aux données stockées en mémoire :
– L’accès aléatoire ou accès direct, qui consiste à aller chercher l’information directement où
elle est enregistrée, comme quand on va retirer le courrier dans un casier postal au bureau
de poste.
– L'accès séquentiel, qui consiste à traiter les informations dans l'ordre où elles apparaissent
sur le support (bandes). Le lecteur physique avance avec la lecture et se positionne au
début de l'enregistrement suivant. L’accès séquentiel est similaire à la recherche d’une
chanson sur une cassette de musique. Pour écouter la troisième chanson, il faut dérouler la
bande jusqu’à ce qu’on la trouve. Cette méthode est plus lente que la première, mais c’est
celle que l’on retrouve dans les unités de sauvegarde sur bandes magnétiques (tape
backup).
2.4 La mémoire à accès aléatoire ou mémoire RAM
La mémoire RAM est une mémoire volatile, utilisée par le processeur et le coprocesseur pour
stocker temporairement de l’information, exécuter des instructions et supporter le système
d’exploitation. L’information contenue dans une mémoire RAM peut être effacée, remplacée ou
recouvrée en tout temps. On appelle aussi ce dispositif, la mémoire vive ou mémoire système.
Une mémoire RAM est constituée d’un ensemble de cellules mémoires, qui sont étiquetées, tout
comme pour la poste, par une adresse mémoire. Les informations enregistrées en mémoire sont
donc repérées par leurs adresses, c’est-à-dire par leur position physique. Le qualificatif aléatoire
de l’accès par le processeur à la mémoire signifie que toutes les cellules mémoires peuvent être
accessibles dans un intervalle de temps identique. Nous convenons que le terme accès direct
est plus commode.
La puissance de traitement de l’information d’un ordinateur, exprimée en quantité de mémoire
RAM, est fonction de la capacité maximale adressable spécifiée par le constructeur. Cette
dernière, comme nous allons le voir plus loin, se mesure en nombre de bits d’adresses mémoire
ou en nombre de lignes d’adresses.
La capacité maximale adressable d’un microprocesseur est calculée en fonction du nombre de
lignes d’adresses, à partir de la formule suivante :
Capacité maximale adressable = 2n, n étant le nombre de lignes d’adresses
Le tableau 1 fournit des informations sur les processeurs de la marque Intel.
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TABLEAU 1
Capacité adressable de quelques processeurs de marque Intel
Modèle du CPU Largeur du bus
d’adresse (n)
Capacité maximale
adressable (2n)
8088 20 bits 1 Mo
80286 24 bits 16 Mo
80386 SX 24 bits 16 Mo
80386 DX 32 bits 4 Go
486 32 bits 4 Go
Pentium 32 bits 4 Go
Pentium Pro, PII, PIII 32 bits 4 Go
2.5 Segments, décalages (offsets) et nombres hexadécimaux
Dans le monde des ordinateurs compatibles IBM PC, les microprocesseurs de la famille
Intel 80x86 ne fonctionnent pas, de façon linéaire, avec toutes les adresses de la mémoire. Ils
forment des adresses de mémoire physique en combinant une adresse de segment à une
adresse de décalage (offset) (ou déplacement dans le segment).
En mode réel, soit le mode de fonctionnement du processeur Intel 8088, l’adresse est exprimée
sous la forme suivante :
Segment : Adresse décalage (offset) A000 : C001
Pour calculer l’adresse absolue d’une cellule mémoire, il suffit d’appliquer la procédure
suivante : écrire, tout d’abord, l’adresse du segment et la décaler d’une position vers la gauche :
A000 A0000
Ensuite, il faut ajouter le décalage (offset). Donc, on ajoute C001h à A0000h, ce qui donne
AC001h. Notez que les valeurs HEXA se terminent habituellement par la lettre h, pour signifier
qu’elles sont exprimées en hexadécimal.
A0000
+ C001
–––––
AC001
En décimal, cela correspond à 704513, qui se trouve quelque part dans le tiers supérieur de la
mémoire, entre les positions 640 Ko et 1 Mo.
En abordant les adresses de segments et de décalage (offsets), ainsi que leurs effets sur
l’architecture d’un système, il est important d’insister sur la nécessité de comprendre et de
maîtriser la formulation en HEXA (abréviation de hexadécimal).
L’hexadécimal est un système de numération à base 16. Il peut être comparé aux systèmes
décimal (base 10) et binaire (base 2). En HEXA, on dispose des chiffres de 0 à 9 comme en
décimal, puis de six « chiffres » additionnels, les lettres de A à F, correspondant aux nombres
décimaux de 10 à 15. Lorsqu’on lit un nombre du système décimal de droite à gauche, la valeur
de chacune des positions s’accroît d’un facteur 10. En HEXA, la valeur de chaque position
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successive s’accroît d’un facteur 16. Ce qu’il faut retenir, dans cette section, c’est que la
mémoire dans un ordinateur est organisée pour être accessible à partir d’une adresse dont
l’étiquette est codée en hexadécimal. Dans la partie du cours portant sur le codage de
l’information, nous allons étudier toutes les notions sur les systèmes de numération, leur utilité et
leurs usages.
Exemple
A000 en HEXA décimal correspond à :
A*163 + 0*162 + 0*161+ 0*160
On le convertit en un nombre décimal en considérant que les valeurs des positions d’un nombre
HEXA de 4 chiffres sont de droite à gauche : 1, 16, 256 et 4096. Ces chiffres sont donc égaux
respectivement à : 160, 161, 162 et 163. Dans une numération décimale à quatre chiffres, les
mêmes valeurs seraient respectivement : 1, 10, 100 et 1000.
Par conséquent, A000 en HEXA est égal à :
(10*4096) + (0*256) + (0*16) + (0*1), soit 40 960 en décimal.
Pourquoi l’hexadécimal est-il si important? C’est parce que les microprocesseurs d’Intel gèrent
les données avec des multiples de 8 bits : des octets de 8 bits, des mots de 16 bits, des doubles
mots de 32 bits, etc. Cela permet à la valeur de toute quantité binaire de 4 bits de pouvoir tenir
dans un seul chiffre HEXA. Le nombre binaire 1010, par exemple, est égal au nombre A en
hexadécimal.
De même, 1010 0000 0001 1000 binaire est égal à AO18h. Tout nombre binaire s’exprime dans
sa correspondance hexadécimale en convertissant chacun des groupes de quatre bits en un
chiffre HEXA.
2.5.1 Adresses linéaires et adresses segmentées
L’organisation de la mémoire revêt une importance capitale dans le fonctionnement d’un
processeur. Aussi devons-nous jeter un regard sur les mécanismes de gestion de la mémoire
centrale avant d’en étudier les différents types. Généralement, on parle de deux types
d’adressage : l’adressage linéaire et l’adressage segmentée.
Dans le cas de l’adressage linéaire, une adresse de taille fixe calculée par le microprocesseur
est utilisée comme adresse virtuelle; elle est divisée en un numéro de page et un déplacement
dans cette page. Ce numéro de page et l'identificateur du processus sont utilisés par le
mécanisme de pagination pour la traduction en adresse physique
Dans le cas de l'adressage segmenté, l'adresse virtuelle s'obtient par la concaténation d'un
numéro de segment et le déplacement correspondant dans le segment; le déplacement dans le
segment est l'adresse calculée par le programme. Cette adresse virtuelle est ensuite
transformée, dans une première étape, en adresse logique (par addition de l'adresse de base du
segment et du déplacement), puis cette adresse logique est traduite en adresse physique. Les
systèmes d’exploitation 16 bits, comme le DOS, utilisent le concept d’adresse segmentée. Par
contre, les systèmes d’exploitation 32 bits, comme Windows, ne sont pas limités par ce mode
d’adressage; ils utilisent le concept d’adressage linéaire.
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2.6 Les différents types de mémoire RAM
2.6.1 La mémoire vive dynamique (DRAM)
La mémoire vive dynamique ou RAM dynamique (DRAM) se compose d'une grande quantité de
condensateurs qui se chargent ou se déchargent pour atteindre respectivement une valeur
élevée (1) ou une valeur basse (0). Ces condensateurs sont particulièrement petits et sont donc
de faible capacité. Le courant de fuite du condensateur étant relativement élevé par rapport à la
valeur de ce condensateur, il faut rafraîchir le contenu de la mémoire toutes les millisecondes.
C’est pourquoi on l’appelle mémoire dynamique. C’est ce qui explique aussi la lenteur relative
de la RAM dynamique.
Le coût de production de ces mémoires, bien qu’il soit aussi variable que le cours de la Bourse,
est relativement bas comparé à d’autres types de mémoire.
2.6.2 La mémoire vive statique (SRAM)
La mémoire vive statique ou SRAM (static RAM) doit son nom au fait que, contrairement à la
DRAM, elle n’a pas besoin d’être rafraîchie. Dans la mémoire statique, les condensateurs sont
remplacés par des bistables (flip-flop) composés de quelques transistors qui prennent une
valeur élevée (1) ou basse (0). On pourrait les comparer à un interrupteur « marche/arrêt »
traditionnel, fonctionnant beaucoup plus vite qu'un condensateur.
Par sa conception, ce type de mémoire est plus rapide que la DRAM. La mémoire SRAM affiche
un temps d'accès de moins de 10 nanosecondes. Elle est de faible densité et de coût élevé. Les
puces sont plus grandes et stockent moins d’informations. Par exemple un module de mémoire
DRAM de 64 Mo coûte environ 125 $ et occupe un seul connecteur de mémoire, tandis que
64 Mo de mémoire SRAM pourrait coûter jusqu’à 5000 $ et nécessiter une surface de montage
presque aussi grande que la carte mère elle-même (données de janvier 2000). La mémoire
SRAM étant plus chère que la DRAM, on ne l'utilise principalement que pour la mémoire cache.
Le tableau 2 permet de comparer ces deux types de mémoire RAM.
TABLEAU 2
Comparaison entre DRAM et SRAM
Type Vitesse Densité Coût
DRAM Lente Haute Bas
SRAM Rapide Faible Élevé
2.6.3 Les différentes technologies de mémoire DRAM
À la base, toutes les mémoires DRAM fonctionnent sur le même principe. Ce qui les distingue,
c’est la manière dont les cellules sont organisées, la manière d’accéder à celles-ci et les
méthodes d’adressage. Les technologies plus récentes permettent un accès plus rapide aux
données et suivent l’évolution de la vitesse des microprocesseurs. Comme les données sont
enregistrées dans la mémoire vive pour que le microprocesseur puisse les traiter, plus celle-ci
est rapide plus l’ordinateur sera performant.
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