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Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique
24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs1
24/02/2019 1Khaled Hassine
Par :
Khaled Hassine
CHAPITRE II – LA MÉMOIRE
24/02/2019 2Khaled Hassine
Mémoire centrale
Hiérarchie mémoire
Introduction
Mémoire auxiliaire
PLAN
Caractéristiques de la mémoire
24/02/2019 3Khaled Hassine
La mémoire centrale
Hiérarchie mémoire
Introduction
La mémoire auxiliaire
PLAN
Caractéristiques de la mémoire
24/02/2019 4Khaled Hassine
Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique
24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs2
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)
24/02/2019 Khaled Hassine 5
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, …)
24/02/2019 6Khaled Hassine
Mémoire centrale
Hiérarchie mémoire
Introduction
Mémoire auxiliaire
PLAN
Caractéristiques de la mémoire
24/02/2019 7Khaled Hassine
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 : nanosecondesMémoires auxiliaires : millisecondes (1 s pour MC contre 3 jours pour M. Aux.)
UC MCAdresse
Données
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24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs3
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
24/02/2019 9Khaled Hassine
Temps d’accès versus temps de cycleAdresse
Données lues
Temps d'accès
00 ff
4a 5b
Temps de cycle
24/02/2019 10Khaled Hassine
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)
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 (ou permanente) dans le cas contraire. C’est la capacité de maintenir stable l'information hors alimentation électrique Mémoires auxiliaires (magnétiques, optique, …) : non volatiles Mémoires électroniques : généralement volatiles.
24/02/2019 11Khaled Hassine
Caractéristiques …
Le mode d'accès : la manière dont on accède à une information. direct : chaque information a une adresse propre. On peut accéder
directement à chaque adresse Exemple : Les mémoires électroniques
Séquentiel : Pour accéder à une information on doit parcourir toutes les informations précédentes (accès lent).
Exemple : bandes magnétiques (K7 vidéo)
Accès semi-séquentiel: intermédiaire entre séquentiel et direct Exemple : disque dur (accès direct au cylindre, ensuite accès séquentiel au
secteur sur un cylindre) Accès associatif : une information est identifiée par une clé. On
accède à une information via sa clé Exemple : mémoire cache
24/02/2019 12Khaled Hassine
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Cours Architecture des ordinateurs4
Caractéristiques …
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.
24/02/2019 13Khaled Hassine
Caractéristiques contradictoires
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
24/02/2019 14Khaled Hassine
Mémoire centrale
Hiérarchie mémoire
Introduction
Mémoire auxiliaire
PLAN
Caractéristiques de la mémoire
24/02/2019 15Khaled Hassine
Ecart de performance entre la mémoire et le processeur
24/02/2019 Khaled Hassine 16
Ecart performance entre mémoire et processeur : augmentation de 50% par anEvolution du DRAM de 9% par an
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24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs5
Solution : Hiérarchie mémoire …
24/02/2019 Khaled Hassine 17
Registre
1ns, 100 O
Mémoire cache
niveau 1
1ns, 1K0
Mémoire cache niveau 2
10ns, 521K0
Mémoire centrale
µs, 1-16 Go
Mémoire auxiliaire
ms, 1 TO
Pourquoi une hiérarchie de mémoire?
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.
Hiérarchies mémoires profondes
24/02/2019 Khaled Hassine 19
Contrôle
Bus
données
Stockage
second.
(Disque)
Processeur
Reg
istres
Mémoire
principale
(DRAM)
Cache
Niveau
2
(SRAM)
Cach
e
Intern
e
1s 10,000,000s
(10s ms)
100,000 s
(.1s ms)
Vitesse (ns): 10s 100s
100s
Gs
Taille (octets):Ks Ms
Stockage
tertiaire
(Disque/
bande)
Ts
Mémoire
distribuée
Mémoire
Distante
Grappe
10,000,000,000s
(10s sec)
10,000,000 s
(10s ms)
Hiérarchie mémoire
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24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs6
Hiérarchie mémoire …
Mémoire cache Interne
L1~ nsec
Registre
Mémoire cacheexterne
L210 nsec
Mémoire centrale 40-100 nsec
UCC
Disque~msec
Processeur
UAL
24/02/2019 21Khaled Hassine
Principe de localité
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.
L1L2
Adresse
Non trouvée
Non trouvée
Registres
MCMC
24/02/2019 22Khaled Hassine
Fonctionnement des caches
Le cache contient des copies de informations (instructions ou données) qui sont en mémoire centrale.
Avant tout accès à la mémoire, le processeur vérifie si les informations ne sont pas présentes dans le cache.
Auquel cas, le processeur utilise les informations contenues dans le cache et n’accède pas à la mémoire centrale. On parle alors de succès de cache.
Sinon, on parle de défaut de cache ou d’échec de cache (cache miss) dans le cas où il est nécessaire d’aller chercher les données en mémoire centrale.
La performance de la cache est donc entièrement liée à son taux de succès. Il est courant de rencontrer des taux de succès moyen de l’ordre de 80 à 90%.
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Localité spatiale et temporelle
La localité temporelle indique que des éléments auxquels on a eu accès récemment seront probablement utilisés dans un futur proche (accès plusieurs fois à brèves échéances, par exemple: boucle).
La localité spatiale indique que des éléments proches ont tendances à être référencés à des instants proches. Lorsque le programme accède à une donnée ou à une instruction, il accèdera ensuite aux données ou instructions juste après (exemple : tableau).
24/02/2019 24Khaled Hassine
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Cours Architecture des ordinateurs7
Exemple de localité spatiale
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Hiérarchie mémoire : analogie avec le quotidien
24/02/2019 Khaled Hassine 26
Registre
L1L2MC
Mémoire centrale
Hiérarchie mémoire
Introduction
Mémoire auxiliaire
PLAN
Caractéristiques de la mémoire
24/02/2019 27Khaled Hassine
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 résideen mémoire centrale.
Une information rangée en mémoire est une suitebinaire 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 2k octets (16 bits, 32 bits,
...). Une mémoire est dite adressable par octet si, à
chaque octet, est associée une adresse différente.
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Cours Architecture des ordinateurs8
La mémoire centrale …
Numéro (adresse)
Données
(m bits)
0 1
2n -1
(n bits)
Adresse
0 m-1 Les bits sont numérotés 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 2m informations différentes. L'information déposée dans cette cellule s'appelle contenu.
24/02/2019 29Khaled Hassine
Chronogramme de lecture
24/02/2019 30Khaled Hassine
Chronogramme d’écriture
Commande d’écriture
24/02/2019 31Khaled Hassine
Différents types de mémoire
Mémoire morte : ROM (Read Only Memorymémoires 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.
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Cours Architecture des ordinateurs9
Mémoire centrale
Mémoire morte Mémoire vive Organisation de la mémoire
24/02/2019 Khaled Hassine 33
La mémoire morte …
24/02/2019 Khaled Hassine 34
La mémoire morte …
24/02/2019 Khaled Hassine 35
Fenêtre pour effacer les données
UV-PROM
ROM à base de diodes
24/02/2019 Khaled Hassine 36
Cette mémoire est composée d'une matrice dont la programmation s’effectue en reliant les lignes aux colonnes par des diodes. L'adresse permet de sélectionner une ligne de la matrice et les données sont alors reçues sur les colonnes (le nombre de colonnes fixant la taille des mots mémoire).
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Cours Architecture des ordinateurs10
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).
24/02/2019 Khaled Hassine 37
Mémoire Flash
On rencontre la mémoire Flash dans: Clés USB Baladeurs mp3 Téléphones cellulaires Assistants personnels (PDA) Ordinateurs portables Appareils photos numériques
Les Flash sont utilisées pour mémoriser les informations.
24/02/2019 Khaled Hassine 38
Mémoire morte Mémoire vive Organisation de la mémoire
24/02/2019 Khaled Hassine 39
Mémoire centrale
La mémoire vive (lecture et écriture)…
Appelée par abus de langage : RAM (RandomAcces 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)
24/02/2019 Khaled Hassine 40
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24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs11
Fabrication de DRAM et SRAM
24/02/2019 Khaled Hassine 41
VDD
Q
Q/
Select Line
Bit Line - Bit Line +
Select
Data
Stockage de la Charge
DRAM SRAM
Mémoire vive SRAM : à base de bascule D
24/02/2019 Khaled Hassine 42
Les RAM Statiques (SRAM)
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
24/02/2019 43Khaled Hassine
Les RAM Dynamiques (DRAM)
Information stockée dans un condensateur sous forme de charge électrique et un transistor : Taux d’intégration élevée Capacité importante Faible coût
La présence de courants de fuite dans le condensateur contribue à sa décharge.
Ainsi, l’information est perdue si on ne la régénère pas périodiquement (charge du condensateur).
Les RAM dynamiques doivent donc être rafraîchies régulièrement pour entretenir la mémorisation : il s'agit de lire l'information et de la recharger.
24/02/2019 44Khaled Hassine
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24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs12
DRAM : besoin de rafraichissement
24/02/2019 Khaled Hassine 45
Les RAM Dynamiques (DRAM) : Conséquences du rafraichissement
Besoin de rafraîchissements périodiques : Lire le bit et le réécrire environ toutes les 10 nsec.
Complique la gestion des mémoires dynamiques car il faut tenir compte des actions de rafraîchissement qui sont prioritaires.
La durée de ces actions augmente le temps d'accès aux informations.
Réécriture : la lecture de l’information est destructive. En effet, elle se fait par décharge de la capacité du point mémoire lorsque celle-ci est chargée. Donc toute lecture doit être suivie d’une réécriture.
24/02/2019 Khaled Hassine 46
Mémoire DRAM
24/02/2019 Khaled Hassine 47
L'information est mémorisée sous la forme d'une charge électrique stockée dans un condensateur, en plus d’un transistor de commande.
Structure d’une DRAM
CAS
DinRAS
déco
deu
r
DRAM4Mbits
(2048x2048)
2048 bits
Adresseligne11bits
1 ligne de 2048 bits
Adresse colonne11bits
Circuit de rafraîchissement
adresse
1 bit Dout
Passe à 1tous les 10 nsec
A10-A0
A21-A11
CAS : Colonne Address SelectionRAS : Row Address Selection
1
0
Multiplex 1/2048
24/02/2019 48Khaled Hassine
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24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs13
Types de mémoire DRAM
Il existe deux types principaux de mémoire dynamique qui se distinguent par leur façon de communiquer avec le processeur: Les mémoires dynamiques asynchrone Les mémoires dynamiques synchrones, appelées
SDRAM pour Synchronous Dymanic RAM.
24/02/2019 Khaled Hassine 49
DRAM ASYNCHRONE
Lorsque le processeur lit une donnée dans une mémoire asynchrone, celui-ci lui envoie l’adresse puis attend que celle-ci lui retourne la donnée à cette adresse.
Plusieurs cycles horloge peuvent s’écouler avant que la donnée ne parvienne au processeur.
Après réception de la donnée, le processeur peut à nouveau demander une autre donnée à la mémoire.
À chaque requête à la mémoire, le processeur reste inactif en attendant que la donnée n’arrive.
24/02/2019 Khaled Hassine 50
SDRAM
Dans le cas de mémoire synchrone, le processeur peut envoyer à la mémoire une nouvelle requête de lecture ou d’écriture avant que celle-ci n’ait fini de traiter la première requête.
Les demandes successives sont alors exécutées séquentiellement par la mémoire.
Chaque requête est reçue pendant un cycle d’horloge et les données sont délivrées quelques cycles d’horloge plus tard.
Le nombre de cycles d’horloge entre la requête et la donnée est fixe.
Ainsi, le processeur peut déterminer à quelle requête correspond chaque donnée.
24/02/2019 Khaled Hassine 51
SDRAM : fonctionnement en pipeline
Le principe de fonctionnement d’une mémoire synchrone est identique au pipeline utilisé pour réaliser un processeur: La mémoire est organisée comme une chaîne où sont
traitées les requêtes. La mémoire traite simultanément plusieurs requêtes qui
se trouvent à des étapes différentes de la chaîne. Le traitement d’une seule requête prend plusieurs
cycles d’horloge mais une requête est traitée à chaque cycle.
24/02/2019 Khaled Hassine 52
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24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs14
Variantes de SDRAM
SDR SDRAM pour Single Data Rate SDRAM qui reçoivent une requête à chaque cycle d’horloge.
DDR SDRAM pour Double Data Rate DRAM qui permettent de doubler le débit de données entre le processeur et la mémoire. Une requête est encore traitée à chaque cycle d’horloge mais chaque requête concerne deux mots consécutifs en mémoire. Le premier mot est transmis sur le front montant du signal d’horloge alors que le second est transmis sur front descendant du signal d’horloge.
DDR2 SDRAM doublent encore le débit de données en traitant quatre mots consécutifs en mémoire à chaque requête.
24/02/2019 Khaled Hassine 53
Récapitulatif
24/02/2019 Khaled Hassine 54
Mémoire morte Mémoire vive Organisation de la mémoire
24/02/2019 Khaled Hassine 55
Mémoire centrale
Adressage de la mémoire
24/02/2019 Khaled Hassine 56
Adresses
Contrôle
Pro
cesseur
Données
Décodeur
Mémoire 1Mémoire 2
RéseauClavier
Carte 3D…
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24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs15
Bus données A2A3
cs0cs1
cs3cs2
Mot 1 Mot 0Mot 2Mot 3
4 4 4 4
Circuit mémoire de 4Mots de 4 bits chacun
Organisation d’une mémoire …
24/02/2019 Khaled Hassine 57
Broches d’une mémoire …
24/02/2019 Khaled Hassine 58
NB: Les signaux - CS (Chip Select)-WR (WriteRead) sont actifs à 0 (niveau bas)
CI RAM de 4 mots de taille 4 bits chacune
Broches d’un boitier mémoire
24/02/2019 Khaled Hassine 59
Une ligne d'alimentation (Vcc) et une ligne de masse (Gnd) ;
N lignes d'adresses (A0, ... AN-1) permettant la sélection d'une cellule parmi 2N ;
M lignes de données (D0, ... DM-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 CS (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.
RAM
1K x 8 bits
Gnd
A0
D0
CS
R/WA9
A1
D7
VccD1
D2
Chip mémoire
24/02/2019 Khaled Hassine 60
Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique
24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs16
Ajout horizontal de CI pour augmenter le nombre de bits d’un mot
Une mémoire de 4 mots de 8 bits chacun
Connexion des boitiers mémoire : Augmentation de la taille d’un mot
24/02/2019 Khaled Hassine 61
Ajout verticalde CI pour augmenter le nombre de mots
Connexion des boitiers mémoire : Augmentation du nombre de mots …
24/02/2019 Khaled Hassine 62
Une mémoire de 8 mots de 4 bits chacun
Connexion des boitiers mémoire …
On dispose de 4 boitiers mémoire de : 64 Kilos x 8 bits
Organiser ces boitiers pour avoir : 256 (4x64) K x 8 bits : ajout vertical 64 K x 32 (4x8) bits : ajout horizontal 128 (2x64) K x 16 (2x8) bits : ajout mixte
24/02/2019 Khaled Hassine 63
Circuits d’adressage et de sélection …
24/02/2019 Khaled Hassine 64
Une mémoire de 256 K x 8 bits
Bus d’adresse
RAM
64 K
x8bits
CS
WR
Bus de
données
RAM
64K x8bits
CS
WR
RAM
64 K
x8bits
CS
WR
RAM
64 K
x8bits
CS
WR
A0-15
A0-15
A0-15 A
0-15A
0-15
CS
D0-7
D0-7
D0-7 D
0-7 D0-7
A16-17
A16-17
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24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs17
Circuits d’adressage et de sélection …
Bus d’adresse
RAM
64 K
x8bits
CS
WR
RAM
64 K
x8bits
CS
WR
RAM
64 K
x8bits
CS
WR
RAM
64 K
x8bits
CS
WR
A0-15
A0-15
A0-15 A
0-15A
0-15
CS
D8-15
D0-7D
0-7D
8-15
A16
A16
Une mémoire de 128 K x 16 bitsBus de
données
D0-16
24/02/2019 65Khaled Hassine
Circuits d’adressage et de sélection …
Bus d’adresse
RAM
64 K
x8bits
CS
WR
Bus de données
RAM
64 K
x8bits
CS
WR
RAM
64 K
x8bits
CS
WR
RAM
64 K
x8bits
CS
WR
A0-15
A0-15
A0-15 A
0-15A
0-15
CS
D0-7
D8-15
D16-23
D24-31
Une mémoire de 64 K x 32 bits
24/02/2019 66Khaled Hassine
Récapitulatif : Augmentation de la taille de la mémoire
Pour construire une mémoire ayant 2k’ mots avec des boîtiers mémoire 2k mots, il faut utiliser 2k’-k boîtiers.
Les k’ bits d’adresses sont alors distribués de la manière suivante: Les k bits de poids faibles A0 à Ak-1 sont envoyés sur tous les
boîtiers. Les k’-k bits de poids fort Ak à Ak’-1 arrivent sur un décodeur
permettant de sélectionner un seul des 2k’-k boîtiers mémoire. Tous les bits du bus de données sont reliés à chacun des
boîtiers. Ceci est possible aussi bien en lecture qu’en écriture car les
entrée/sorties des boîtiers sont dans un état dit haute impédance lorsque le circuit n’est pas sélectionné.
24/02/2019 Khaled Hassine 67
Connexion de plusieurs boitiers
24/02/2019 68Khaled Hassine
Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique
24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs18
Adressage de la mémoire
24/02/2019 69Khaled Hassine
Cartographie - Mapping
24/02/2019 Khaled Hassine 70
Problème de conflit
Problème si deux au moins parmi A13, A14 et A15passent à 1 en même temps.
2 solutions possibles : assurer une priorité Solution 1 : câblage des entrées
Mémoire 1 : A13
Mémoire 2 : A13=0 A14=1 Mémoire 3 : A13=A14=0 A15=1
Solutions 2 : utiliser un décodeur 3 entrées Remarque : on peut se contenter d’un décodeur 2 entrées
24/02/2019 71Khaled Hassine
Utilisation d’un décodeur
24/02/2019 Khaled Hassine 72
Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique
24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs19
Table de vérité du décodeur
24/02/2019 Khaled Hassine 73
Nouveau Mapping de la mémoire
24/02/2019 Khaled Hassine 74
Espace de travail
24/02/2019 Khaled Hassine 75
A retenir …
Taille d’une mémoire = (Adresse fin-adresse début +1) x Taille d’une cellule
24/02/2019 76Khaled Hassine
Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique
24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs20
Mémoire centrale
Hiérarchie mémoire
Introduction
Mémoire auxiliaire
PLAN
Caractéristiques de la mémoire
24/02/2019 77Khaled Hassine
Anatomie du disque
Le revêtement des plateaux est subdivisé en pistes concentriques numérotées depuis l'extérieur vers le centre. La première piste à la périphérie porte le numéro 0.
Les pistes des différents plateaux, situées à la verticale les unes des autres portent donc les mêmes numéros et forment ce qu'on appelle des cylindres. Les données situées sur un même cylindre même si elles sont réparties sur plusieurs plateaux peuvent être lues sans déplacer les têtes.
Les pistes sont divisées en secteurs capables de stocker 512 octets de données chacun. Ces 512 octets sont précédés de quelques bytes d'en-tête ( header) inscrits lors du formatage de bas niveau pour contenir quelques informations de contrôle. Les bytes de données sont suivis d'une zone de fin de secteur contenant les codes ECC (Error Correcting Code) servant à vérifier la validité des données enregistrées.
Le formatage de bas niveau (Low-level format ) ou formatage physique est réalisé en usine. Il dispose les pistes et les secteurs à la surface des disques. Ce marquage est fait une fois pour toutes contrairement au formatage de haut niveau ( High-level format ) qui est effectué quand le disque est installé dans le PC pour y établir un système de fichier.
Les disquettes elles aussi sont formatées mais les formatages de bas niveau et de haut niveau sont faits simultanément. La commande FORMAT effectue un formatage de bas niveau lorsque la disquette est formatée pour la première fois.
24/02/2019 Khaled Hassine 78
Disque dur : Plateaux et cylindres
24/02/2019 Khaled Hassine 79
Axe tournant porte plateaux
Têtes de lecture écriture solidaire à un bras porte têtes (une par surface)
Vue interne d’un disque dur
24/02/2019 Khaled Hassine 80
Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique
24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs21
Têtes de lecture-écriture
24/02/2019 Khaled Hassine 81
Disque dur
24/02/2019 Khaled Hassine 82
Alimentation des disques durs
24/02/2019 Khaled Hassine 83
Organisation interne du disque dur
24/02/2019 84Khaled Hassine
Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique
24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs22
Formatage d’un disque dur
24/02/2019 Khaled Hassine 85
Le secteur est une unité indivisible
Plateau : plattersPistes : TracksSecteurs : Sectors
Définitions
Secteur : Le secteur est la plus petite unité physique de stockage sur un support de donnée. Sa capacité est au minimum de 512 octets sur un disque dur ou une disquette, 2048 octets pour un disque optique.
Piste : les secteurs d’une face d’un plateaux ayant le même diamètre.
Cylindre : les pistes de même diamètres sur les différents plateaux du disque
Adresse d’un secteur physique : son index sur la piste, l'index de la piste, c'est à dire du cylindre, l'index de la tête, c'est à dire l'index de la surface.
24/02/2019 Khaled Hassine 86
Structure d’un secteur
24/02/2019 Khaled Hassine 87
GAP : un petit espace « blanc », une zone inutilisée nécessaire au basculement du mode lecture au mode écriture et inversement (cela permet également de compenser de légères dérives de la vitesse de rotation des surfaces de disque) ;
Servo : contient des « tops » permettant de synchroniser la logique du contrôleur de disque avec les données qui vont défiler sous la tête de lecture juste après ;
ID : en-tête contenant le numéro du bloc qui va suivre : il permet au contrôleur du disque de déterminer le numéro de secteur que la tête de lecture va lire juste après (et par là de déterminer également si le bras portant les têtes est positionné sur la bonne piste) ;
Données : ce qui est véritablement stocké par l’utilisateur du disque ; Σ : Somme de contrôle permettant de détecter/corriger des erreurs : cela
fournit également un moyen de mesurer le vieillissement du disque dur (il perd petit à petit de sa fiabilité).
Capacité d’un disque dur
Soient NC: nombre de cylindres
ou nombre de pistes par plateau
NT: nombre de têtes NS: nombre de secteur
par piste Alors
Nombre de secteur du disque = NT x NC x NS
Taille du disque = Nombre_secteur_disque x taille_secteur
24/02/2019 Khaled Hassine 88
Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique
24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs23
Évolution des DD en termes de prix et de capacité
Le ST-506 est le premier disque dur utilisant des disques de 5¼" de diamètre (environ 13 cm). Construit par Shugart Technology (devenu depuis Seagate Technology) à partir de 1980, ce disque dur avait une capacité de 6,38 Mo bruts soit 5 Mo une fois formaté.
Entre 1980, date de sortie du ST-506 d'une capacité de 5 Mo, et 2008, la surface moyenne occupée par un bit d’information sur le disque s’est vue réduite d’un facteur de plus de 100 000 (5 Mo pour un plateau en 1980 et 500 Go en 2008, soit une densité 100 000 fois supérieure).
Dans le même temps, le prix du mégaoctet a été divisé par plus d'un million, sans tenir compte de l'inflation, car :
en 1980, le ST-506 coûtait 1 500 $, soit 300 $/Mo ; en 2008, le mégaoctet d’un disque dur ne coûte plus qu'environ 0,000 22
$13.
24/02/2019 Khaled Hassine 89
Evolution en capacité de stockage
Évolution de la capacité de stockage (en Go) du disque dur depuis le premier disque dur en 1956.
Les disques durs ayant les capacités les plus importantes sur le marché dépassent les 2 To (téraoctets) (2010) et 3 To en 2011. La capacité des disques durs a augmenté beaucoup plus vite que leur rapidité, limitée par la mécanique. Le temps d'accès en lecture est lié à la vitesse de rotation du disque et au temps de positionnement des têtes de lectures. En revanche, le débit d'information ensuite est d'autant meilleur que la densité du disque et la vitesse de rotation sont élevées14.
En 1997, le standard pour les PC de bureau est de 2 Go pour les disques durs de 3,5 pouces.
Vers 2002, les disques durs de 40 Go sont courants pour des PC de bureau. En 2009, le standard pour les PC de bureau est de 1 To (à partir de 0,1 €/Go en août
2008) et de 500 Go pour les PC portables. En 2010, 1,5 à 2 To sont devenus courants. Pour les « faibles capacités » de moins de
100 Go environ, ils sont remplacés, de plus en plus, par des mémoires électroniques de type carte SD ou « disques » SSD.
24/02/2019 Khaled Hassine 90
Evolution de la capacité de stockage dans le temps
24/02/2019 Khaled Hassine 91
Schéma en coupe d’un disque dur
24/02/2019 Khaled Hassine 92
Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique
24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs24
Le disque dur : récapitulatif
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
24/02/2019 93Khaled Hassine
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
24/02/2019 Khaled Hassine 94
Performances
Pour lire le secteur situé sur une piste interne à l’opposé de la tête de lecture (en rouge), il faut déplacer la tête vers l’intérieur (TSeek), attendre que le bloc arrive sous la tête (TLatence) puis lire la totalité du bloc (TTransmission).
Il est possible d’optimiser le temps d’accès en prenant en compte la vitesse de rotation pendant que la tête se déplace.
Le temps d’accès et le débit d’un disque dur permettent d’en mesurer les performances.
24/02/2019 Khaled Hassine 95
3 facteurs principaux de performances : 1/2
le temps de latence : facteur de la vitesse de rotation des plateaux.
Le temps de latence (en secondes) est égal à 60 divisé par la vitesse de rotation en tours par minute. Le temps de latence moyen est égal au temps de latence divisé par deux (car on estime que statistiquement les données sont à un demi-tour près des têtes).
Dans les premiers disques durs, jusqu’en 1970, le temps de latence était d’un tour : on devait en effet attendre que se présente la home address, rayon origine (1⁄2 tour) devant les têtes, puis on cherchait le ou les secteurs concernés à partir de cette home address (1⁄2 tour
24/02/2019 Khaled Hassine 96
Faculté des Sciences de GabesDépartement d’informatique
24/02/2019
Cours Architecture des ordinateurs25
3 facteurs principaux de performances : 2/2
le temps de positionnement (en anglais seektime) : temps que met la tête pour atteindre le cylindre choisi. C’est une moyenne entre le temps piste à piste, et le plus long possible (full-stroke) ;
le temps de transfert : est le temps que vont mettre les données à être transférées entre le disque dur et l’ordinateur par le biais de son interface.
Pour estimer le temps de transfert total, on additionne les trois temps précédents.
24/02/2019 Khaled Hassine 97 24/02/2019 98Khaled Hassine