Guide technique de la Ram

	Sommaire de cette page :
	Introduction - la Ram Organisation de la Ram et rafraîchissement : les matrices Le contrôleur mémoire la DRAM FPM EDO la SDRAM la SRAM Vérification et correction d'erreurs Parité ECC

La Ram - Introduction : des ordinateurs en quête de mémoire

Quelques rappels, pour planter le décor...

Dans la langue anglaise, les Macintosh sont désignés, tout comme les compatibles PC, comme étant des "Personnal Computers" (on a d'ailleurs ici le sens premier de "PC", qui désigne maintenant par extension abusive mais commode les compatibles IBM).
Le terme "Computer" n'est pas anodin. Tous nos ordinateurs reposent en effet sur un concept du mathématicien John von Neumann, en l'occurrence le concept de "machine séquentielle à programme enregistré", dont le principe est le suivant :
Toute "l'intelligence", si l'on peut dire, de l'ordinateur réside dans ce qu'on appelle les programmes.
Pour des raisons de commodité, les programmes sont conçus et écrits le plus souvent dans un langage compréhensible par des humains (enfin par les programmateurs...), par exemple le Pascal, le C, C++, objective C, le Fortran...
Ces programmes sont ensuite compilés dans le langage machine (l'assembleur, qui est une suite d'instructions directement exécutables par le processeur).

Les ordinateurs ne font donc qu'exécuter "bêtement" et de manière séquentielle (les unes après les autres dans un ordre défini) les instructions qui sont contenues dans le programme. Comme ces instructions sont des opérations logiques (addition, soustraction etc.), le terme de "computer" est tout-à-fait approprié puisque "computer" se traduit tout simplement par "calculateur".

Remarque : chaque type de processeur possède son jeu d'instructions. Par exemple les processeurs Motorola 68k utilisent un jeu d'instructions complexes (ce sont des processeurs CISC) différent du jeu d'instructions des processeurs PowerPC (qui utilisent un jeu d'instructions réduit, RISC), dont diffère encore le jeu d'instructions des processeurs x86 Intel/AMD des PC. Un programme compilé pour un de ces processeurs ne sera donc pas exécutable par un autre processeur, à moins d'être émulé (ce qui est par exemple le cas des programmes 68k tournant sur PPC).

Quel est le rôle de la Ram dans tout ça ?

Oui, je suis inquiet à son sujet... ;-)
Et bien tout simplement tout processeur a absolument besoin pour exécuter des programmes, d'un espace de stockage temporaire, d'une "mémoire" dans laquelle il peut stocker les instructions qu'il doit exécuter.
Le processeur a aussi besoin de cet espace pour stocker les données qu'il a à traiter et/ou les résultats temporaires ou définitifs des calculs. En effet les données et instructions que le processeur doit traiter sont souvent issues des périphériques (cartes d'acquisition, périphériques de pointage ou claviers), ou de ce qu'on appelle les mémoires mortes (ROM), ou encore des espaces de stockage de masse comme les disques durs, qui sont soit lents d'accès soit dont les données sont éphémères (cartes d'acquisition, clavier, souris) et doivent être stockées quelque part.

C'est la Ram (Random Access Memory) qui va jouer ce rôle d'espace de stockage.

Les données à stocker en Ram, que ce soient donc des données à traiter ou des instructions à exécuter, sont de nature binaire.
Ces données sont donc des successions d'états logiques 0 ou 1, matérialisés à cause de la nature électronique des processeurs sous forme de tensions comme 0V ou 5V, accessibles rapidement par le processeur.

La Ram sera donc pour le processeur l'espace idéal pour stocker les données et les instructions, parce que celles-ci peuvent alors être accédées rapidement, manipulées à satiété et stockées tant que du courant est fourni, alors qu'au départ ces données sont éphémères (cartes d'acquisition, clavier, souris...), ineffaçables (ROM, Read Only Memory) ou alors ne peuvent pas être accédées suffisamment rapidement pendant les calculs (disques durs).

Deux exemples illustrant le rôle de la Ram :

Prenons le cas du système d'exploitation (Operating System, ici MacOS) :
c'est le premier programme (en fait constitué du noyau plus une multitude de petits programmes comme les extensions) que le processeur exécute au démarrage : en effet c'est le système d'exploitation qui permet au processeur de communiquer avec l'extérieur (et avec l'utilisateur) et qui lui permet de gérer les périphériques.
Comme les instructions du système d'exploitation doivent pouvoir à tout moment être accédées très rapidement (par exemple à chaque accès disque !), celles-ci doivent être stockées dans un espace accessible rapidement donc en Ram. Autrefois le système d'exploitation était presque totalement résident en Rom, mais on utilise de plus en plus la Ram parce que c'est plus rapide et plus facilement modifiable (seuls les procédures basiques d'entrées sortie restent encore en Rom aujourd'hui).

Prenons un autre exemple : la retouche d'images sous Photoshop (pour ne pas le nommer). Outre le programme lui-même qui doit être chargé en Ram, toutes les données de l'image de départ doivent également être chargées en Ram.
Quand on fait agir un filtre, le processeur peut alors lire rapidement toutes les données dans la Ram, puis il effectue les calculs correspondant au filtre, et stocke à nouveau dans la Ram la nouvelle image résultante (ce qui permet de revenir lire l'image originale si on veut annuler l'opération). Si tout devait se passer uniquement sur le disque dur cela prendrait beaucoup plus de temps, le débit des disques durs modernes restant largement en dessous du dixième de celui de la Ram, et le temps d'accès étant encore plus génant car mille fois plus long sur disque dur...
Comme il est devenu courant de travailler sur des images pouvant "peser" facilement une ou plusieurs dizaines de Mo, l'utilisation de grosse quantités de Ram est de plus en plus indispensable.

Comme on a vu, les donnés contenues dans cet espace de stockage doivent donc pouvoir être lues ou écrites très rapidement, ce qui n'est possible avec les technologies actuelles qu'avec les composants électroniques appelés "DRAM", "SRAM" ou "SDRAM" selon les cas (dans les premiers ordinateurs on utilisait des tores en ferrite...).

Ces composants ont tous en commun d'être constitués de points mémoire (les "bits*") organisés en matrices, ou tableaux si vous préférez.
La désignation RAM, pour "Random Access Memory" vient de là : en effet le temps d'accès à n'importe lequel de ces points mémoire constitués en matrice est toujours le même, donc on peut accéder de manière aléatoire (random) aux données. On utilise rarement l'unité du bit, on préfère les regrouper par 8 (on parle alors d'Octets.

Attention : très souvent on confond le mot "bit" avec le "byte" anglais qui veut dire octet (donc 8 bits...).

Avertissement: cette section est un peu plus technique, si cela vous effraie sautez directement à la section DRAM	La RAM est donc toujours constituée d'une quantité plus ou moins grande de points mémoire, appelés "bits", qui mémorisent un état logique 1 (+5V ou + 3,3V) ou 0 (0V). Ces points sont toujours organisés sous forme de matrice. Le schéma ci-dessous représente une mémoire de 64 bits (8 octets) de type DRAM organisée en matrice de 8x8=64 bits :
	Comme on peut voir, la matrice comporte 8 colonnes et 8 rangées. Il y a donc 8 adresses de colonnes (colonne 1, colonne 2, etc.) et 8 adresses de rangées (rangée 1, rangée 2, etc.), soit au total 64 points mémoire (point 1:1, point 1:2 etc. jusqu'à point 8:8). Ces 64 adresses sont codées et décodées en 6 bits (2 ⁶=64) par les circuits d'adressage colonne et adressage rangées. Les données sont lues et écrites dans les points mémoire grâce au circuit d'entrée/sortie, qui "lit" la tension du point mémoire et l'envoie dans le bus de données lors des opérations d'écriture, ou qui "lit" l'état du bus de données et l'écrit dans le point mémoire lors des opérations d'écriture mémoire.
	Le circuit d'entrées/sorties est commandé par le bus de commande, qui donne soit l'instruction de lire, soit celle d'écrire en mémoire. Une remarque : ici les points mémoires sont constitués d'un seul "bit" à la fois (donc le bus de données est large d'un seul "bit"). On désigne donc cette mémoire comme étant une mémoire 64 x 1 (64 points mémoire de 1 bit de large chacun).
		Comme la matrice repésentée ici est du type "DRAM", les points mémoire sont constitués d'un transistor (de type MOS) et d'un condensateur. Quand la rangée du transistor est activée, le transistor établit un contact (comme si on fermait un interrupteur) entre le condensateur et la colonne correpondante. On peut alors soit "lire" la tension du condensateur sur la colonne, soit y "écrire" la valeur logique en forçant la tension aux bornes du condensateur à +5V ou à 0V. Le condensateur se décharge obligatoirement au bout d'un moment à cause de fuites du courant électrique. C'est pourquoi le cycle de fonctionnement de la mémoire inclut un cycle de "rafraîchissement" des données, qui consiste à lire puis réécrire simultanément l'état logique de tous les points mémoire d'une rangée.
Ici pour rafraîchir la mémoire il faut donc 64 cycles de rafraîchissement, un par rangée de points mémoire.

Rafraîchissement

Sur une puce mémoire de 16 Mbits (soit 2 Mo) organisée en 4096 colonnes et 4096 rangées (4096x4096=16 777 216 bits, donc bien 16 Mbits), il faut activer séparément les 4096 rangées une à une pour rafraîchir toute la puce.
On parle alors de puce "4k refresh", puisqu'il faut 4096 cycles pour rafrîchir les données de la RAM (toutes les puces d'une barrette étant rafraîchies en parallèle).
Une remarque : certains Macintosh exigent des puces "2k refresh" car elles sont plus rapides, tandis que d'autres ne supportent que les "4k refresh" à cause de leur contrôleur mémoire.

Le contrôleur mémoire

Le contrôleur mémoire est le circuit qui s'occupe des transactions de données entre le processeur et la mémoire vive, et de la synchronisation d'horloge le cas échéant.

En effet, à la différence de la mémoire cache qui est directement contrôlée par le processeur, via un bus d'adresses et de données spécifiques, la mémoire vive partage très souvent le bus de données de la carte mère et est adressée par le contrôleur mémoire.
Le contrôleur mémoire s'occuppe donc de gérer la mémoire : il assure l'identification et le test des barrettes de mémoire au démarrage, et gère la synchronisation éventuelle de l'horloge mémoire avec l'horloge du processeur. Il permet aussi les accès direct à la mémoire à certains périqphériques (DMA).
Le contrôleur mémoire peut être "supervisé" par un MMU ou pas.
Le MMU (Memory Managment Unit) est un circuit adossé ou intégré au processeur qui s'occuppe d'insérer l'espace mémoire adressable réel des barettes de Ram dans l'espace adressable virtuel du processeur, et qui permet de gérer la "mémoire paginnée" ou mémoire virtuelle : la pagination permet de profiter d'un plus grand espace virtuel de mémoire système. Les "Pages" de mémoire qui n'ont pas étéutilisées récemment sont stockées sur le disque dur.

La DRAM

DRAM veut dire "Dynamic Random Access Memory". C'est le type de Ram décrit ci-dessus, et elle est organisée en matrice. La DRAM est qualifié de "dynamique" parce que les données logiques sont mémorisées sous forme de charges électriques dans autant de petits condensateurs qu'il faut stocker de "bits". Comme on l'a vu il faut rafraîchir en permanence les données contenues dans ces condensateurs. Si le courant cesse d'être fourni le rafraîchissement ne peut plus se faire et les données sont perdues à jamais...
La DRAM a été inventée par Intel en 1969 pour équiper le premier microprocesseur fabriqué au monde, le 4004. La DRAM équipe tous les Mac sauf certains portables qui utilisent de la SRAM.
La DRAM peut soit avoir son horloge indépendante de l'horloge de la carte mère, ce qui est le cas des DRAM "classiques" (FPM et EDO), soit avoir son horloge synchronisée sur celle de la carte mère (cas des SDRAM) ce qui est beaucoup plus rapide.
Les performances des différents types de DRAM se comparent de deux manières :

en comptant le nombre de cycles d'horloge nécessaires pour obtenir une série de 4 données contigües. On obtient un chiffre du genre "5-3-3-3", où les 4 chiffres représentent dans l'ordre les 4 nombres de cycles d'horloges nécessaires à l'obtention de chacune des 4 donnés : ici 5 cycles sont nécessaires pour obtenir la première donnée puis 3 pour chacune des suivantes.
en mesurant le temps d'accès à une donnée choisie aléatoirement. Il faut 5 cycles d'horloges du contrôleur mémoire pour accéder à cette donnée. Pour une mémoire fonctionnant à 50 Mhz, la période d'horloge est de 20ns, donc un cycle (une demi-période) fait 10ns. Le temps d'accés est donc de 50 ns.

Voici les deux principaux types de mémoires dynamiques :

la DRAM FPM
ou "Fast-Paged-Mode".
C'est le type de DRAM qui équipe tous les Mac 68k et les premiers PowerPC, et on la trouve sur les barrettes de formats Simm 30 broches, Simm 72 broches, et Dimm 5V

Par rapport à la DRAM standard (PM : paged-mode) qui était utilisée sur les tout premiers ordinateurs personnels, la FPM suppose que les données sont lues le plus souvent rangées par rangées dans la même colonne (ce qui est effectivement le plus souvent le cas).
Dans ce cas, il n'y a pas besoin de répéter l'adresse de colonne pour chaque donnée lue, ce qui diminue le nombre de cycles d'horloges nécessaires pour obtenir des données qui s'enchainent.
La DRAM FPM permet donc un cycle d'accès de type "5-3-3-3" comparé au cycle "5-5-5-5" des DRAM paged-mode.
On trouve des DRAM FPM acceptant des fréquences allant jusqu'à 33 ou 40 Mhz, ayant donc une période de rafraîchissement ne descendant pas en dessous de 70 ou 60ns.

La DRAM EDO
"Extended Data Out" ou encore "hyper-page".
Apparue d'abord sur les PC, puis utilisée sur les Mac à processeur PowerPC 60x, ce type de DRAM permet de lire les donnés pendant les périodes de rafraîchissement, ce qui diminue encore les temps d'accès. Les mémoires EDO contiennent aussi un registre qui stocke les adresses récemment consultées.
Les mémoires EDO permettent donc d'accéder aux données selon un cycle 5-2-2-2.
On trouve le plus souvent la Ram EDO sous la forme de barrettes Simm 72 broches, et un peu moins souvent sous la forme de barrettes Dimm 5V ou 3,3V, avec des temps d'accès descendant jusq'à 50ns, ce qui permet une fréquence de travail de 50 Mhz.

La SDRAM

ou "Synchronous Dynamic Random Access Memory"

La mémoire vive de type SDRAM est plus rapide que les précédentes pour deux raisons :

elle est synchronisée avec le bus de la carte mère, ce qui permet d'éviter les "longs" cycles d'attente des mémoire asynchronres (EDO et FPM), pendant lesquels le processeur tournait à vide pendant que le contrôleur mémoire synchronisait les transactions avec le processeur.
elle peut fonctionner à des fréquences plus élevées, jusqu'à 150 Mhz
les puces de SDRAM peuvent fonctionner en "interleaving interne", et de plus comportent un compteur interne : ce compteur fait que lorsqu'on fournit une commande de lecture à la puce, celle-ci se prépare à envoyer en rafale l'adresse demandée ainsi que les 3 suivantes, une par cycle d'horloge, sans qu'elles soient demandées. L'interleaving interne permet d'adresser une commande de lecture à un des bancs de la puce (il y en a 4 en général) pendant qu'un autre est déjà en train d'être lu. La combinaison de l'interleaving interne et de l'envoi en rafale (mode burst) permettent de lire une donnée par cycle d'horloge sur la puce

À la différence des DRAM EDO et FPM, le temps d'accès des mémoires SDRAM se mesure sur les deuxièmes, troisième et quatrième accès du cycle précédemment défini. Une mémoire SDRAM doit donc avoir un temps d'accès de 1/66=15ns pour fonctionner à 66 Mhz.
Si le temps d'accès est encore plus court (12 ou 10ns pour 66 Mhz), la SDRAM peut alors fonctionner en mode CAS 2 (2-2-2). L'essentiel est cependant la fréquence de fonctionnement, car les modes CAS 3 (3-2-2) et CAS 2 (2-2-2) ne présentent que très peu de différence de vitesse entre eux (5%). En fait, l'intérêt d'avoir des barettes fonctionnant à un temps de latence d'accès aux colonnes de 2 cycles (CAS2) au lieu de 3 (CAS3) est quasiment nul : il se limite à pouvoir ultérieurement augmenter ("overclocker") la fréquence de la carte mère (chose fréquemment pratiquée sur PC mais rarement sur Mac) sans avoir à remplacer toutes les barrettes de Ram, d'où le faible intérêt sur Mac d'exiger absolument des barettes CAS 2.

Malheureusement, lors de la traduction de MacOS 8.5 et suivants, l'application "Informations Système Apple" a été localisée de telle manière que lorsqu'elle détecte des barettes fonctionnant en CAS 3, elles sont signalées comme étant plus lentes :

Bien sûr, c'est une vérité, mais le manque d'explications a probablement pu inutilement pousser des possesseurs de Mac à l'achat de barette fonctionnant en CAS 2, alors que ce n'est absolument pas indispensable !

La SRAM

ou "Static Random Access Memory"

La SRAM utilise cette fois des points mémoires qui sont chacun une bascule. Ces bascules sont constituées de 6 transistors montés de telle sorte que l'ensemble ne peut prendre que deux états très stables (un peu comme une balance qui ne serait jamais en équilibre).
Pour ceux qui veulent voir un schéma de fonctionnement d'un point mémoire de ram statique, cliquez ici.

Les mémoires SDRAM ne nécessitent donc pas de rafraîchissement, complexe et coûteux en énergie. Consommant donc moins de courant que les mémoires DRAM, les mémoires SRAM ont donc été pendant un cours temps utilisées comme mémoire vive principale dans les premiers portables Apple.
Cependant ces mémoires sont très chères et chaque point mémoire prend beaucoup plus de place que pour les DRAM, ce qui ne permet pas de fabriquer des puces de SRAM d'une densité comparable aux puces de DRAM. On n'utilise donc plus maintenant la SRAM que pour fabriquer la mémoire cache des processeurs.

La verification ou la correction d'erreurs

La Parité

On utilise les barrettes avec bit de parité lorsqu'on veut vérifier que les données lues dans la Ram sont bien identiques à celles qui avaient été écrites.
Pour cela, lorsqu'on veut stocker 8 bits (un octet), on enregistre un bit suplémentaire, le bit de parité, qui est forcé à l'etat 1 si la somme des bits de l'octet ecrit en memoire est paire et forcé à 0 si elle est impaire.

Lors de la relecture de l'octet, le contrôleur compare la valeur du bit de parité avec la parité ou non de l'octet relu. Si il y a une différence, aucune correction n'est effectuée mais l'utilisateur est averti qu'une erreur de mémoire s'est produite et cela permet de ne pas laisser le processeur faire des calculs sur une valeur fausse.
Ce bit de parité impose d'utiliser par exemple 9 Mo pour stocker 8 Mo, ce qui rend les barrettes avec parité plus chères que les autres. Les barrettes avec parité étaient autrefois tres fréquentes sur les PC (donc intéressantes en occasion aujourd'hui), aujourd'hui elles se rencontrent encore surtout dans les serveurs. Tous les mac acceptent sans aucun problème les barrettes avec bit de parité mais la plupart du temps n'en font rien de special (puisque la puce avec bit de parité est tout simplement ignorée) sauf les serveurs 500 et 700 et le IIci qui savent gérer la parité.

les barrettes ECC - La correction d'erreur

Les barrettes ECC (Error Correction Coding) sont des barrettes qui, grâce à des bits de contrôle supplémentaires, peuvent corriger automatiquement les erreurs. Surtout utilisées dans les serveurs, elles ne sont utilisées dans aucun Macintosh.

Tous les dessins de personnages de cette page sont reproduits à partir de la bande dessinée "Le Génie des Alpages" de F'Murr.

Revenir à l'accueil - revenir en haut de la page - page suivante

La Ram - Introduction : des ordinateurs en quête de mémoire

Le contrôleur mémoire

La DRAM

la DRAM FPM

La DRAM EDO

La SDRAM

La SRAM

La verification ou la correction d'erreurs

La Parité

les barrettes ECC - La correction d'erreur