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COMMENT FONCTIONNE LA MÉMOIRE
1- INTERACTION ENTRE LA MÉMOIRE ET LE PROCESSEUR 2- MAXIMISER LES PERFORMANCES Retour au guide 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.
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.
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". Retour au guide |
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