Le but de l'informatique étant de traiter des informations. Il faut pour cela pouvoir ranger ces informations et les programmes qui les manipulent dans dans une mémoire ou plus exactement dans des mémoires car la mémorisation des données et des instructions est réalisée à l'aide d'une variété de composants mémoire qui se caractérisent par leur vitesse, leur capacité, leur volatilité, leur prix et leurs dimensions physiques.

Le développement des microprocesseurs stimule une évolution rapide des technologies de réalisation des mémoires à semi-conducteurs ; les circuits logiques programmables ont hérité directement des mémoires pour ce qui concerne les aspects technologiques. Leurs architectures internes sont, en revanche, très différentes. Il n’est donc pas surprenant que le premier fabriquant de circuits programmables ait été un fabriquant de mémoires (MMI, monolithic memories inc.).

Notons, pour la petite histoire, que cette société a «fusionné» avec l’un des leaders des fabricants de processeurs rapides, processeurs micro programmés, processeurs spécialisés dans le traitement de signal, processeurs RISCs, AMD (advanced micro devices).

Indépendamment de sa structure interne et des détails de la technologie concernée, une mémoire est caractérisée par son mode de programmation et sa faculté de retenir l’information quand l’alimentation est interrompue. Les catégories de mémoires qui ont donné naissance aux circuits programmables sont :

• Les mémoires de type PROM (programmable memory) sont programmables une seule fois au moyen d’un appareil spécial, le programmateur. Les données qui y sont inscrites ne sont pas modifiables. Elles conservent les informations quand l’alimentation est interrompue. Leur inconvénient majeur est l’impossibilité de modifier les informations qu’elles contiennent. 
   
• Les mémoires de type EPROM (erasable programmable memory) sont programmables par l’utilisateur au moyen d’un programmateur, effaçables par une exposition aux rayons ultraviolets et reprogrammables après avoir été effacées. Elles aussi conservent les informations quand l’alimentation est interrompue. Leur boîtier doit être équipé d’une fenêtre transparente, ce qui en augmente le coût. 
   
• Les mémoires de type EEPROM (electricaly erasable programmable memory), ou FLASH, sont effaçables et reprogrammables électriquement. Non alimentées, elles conservent les informations mémorisées. La diminution des tensions à appliquer pour programmer les mémoires FLASH permet même de s’affranchir du programmateur : il est intégré dans le circuit. On parle alors de mémoires programmables in situ (ISP, pour in situ programming), c’est à dire sans démonter la mémoire de la carte sur laquelle elle est implantée. Les technologies FLASH sont de loin les plus séduisantes pour les circuits programmables pas trop complexes. 
   
• Les mémoires RAM (random access memory) statiques3, ou SRAM, sont constituées de cellules accessibles, en mode normal, en lecture et en écriture. Elles sont utilisées dans certains circuits programmables complexes pour conserver la configuration (qui définit la fonction réalisée) du circuit. Ces mémoires perdent leur information quand l’alimentation est supprimée.

 

Fonctionnement d’une mémoire électronique.

Les mémoires sont des circuits intégrés de forte densité d’intégration capables de stocker de l’information sous forme binaire. Elles sont réalisées en technologie bipolaire ou CMOS. Il y a, en ce qui concerne leur organisation, deux grandes familles : les mémoires à accès parallèle et les mémoires à accès sériel. Dans les mémoires sérielles il existe plusieurs protocoles de communication, les plus répandus étant I²C-Bus, SPI-Bus, Microwire-Bus.

 

 

	Mémoires parallèle	mémoires sérielles
Avantages	Grande capacité Très rapide	Encombrement très réduite: Nécessite peu de signaux de commande Bonne immunité au bruit
Inconvénients	Très lent	Encombrement: Nécessite beaucoup de signaux de commande

 

Architecture des mémoires.

Quel que soit le type de mémoire, les cellules sont organisées en matrice XY. Une cellule est repérée par son numéro de ligne et son numéro de colonne qui constituent ce qu'on appelle l'adresse de la cellule. L'exemple de la figure ci-dessous illustre l'exemple d'une mémoire 16 bits, organisée en 4 lignes et 4 colonnes. En utilisant des décodeurs, on a besoin de deux bits d'adresse A1A0 Pour sélectionner une ligne, et de deux bits d'adresse A3A2 pour sélectionner une colonne, soit une adresse globale de 4 bits. Donc en général pour une mémoire de capacité N bits, il faut n bits d'adresses tels que N=2ⁿ.

Organisation par mot.

Dans la structure donnée ci haut, on ne peut adresser qu’un bit à la fois. Dans la pratique, on désire souvent adresser des mots de plusieurs bits, comme des octets par exemple. Pour faciliter le dessin, la figure suivante montre une mémoire de 16 mots de 4 bits chacun. Elle est obtenue par association de 4 matrices de 16 bits. Toutes les matrices reçoivent la même adresse ligne et colonne. Quand on écrit un mot, chaque bit est stocké dans une matrice. Les circuits de lecture écriture ne sont pas représentés.

Pour éviter toute confusion lors de la détermination de la taille d'une mémoire, se rappeler que :

• Le nombre de bits du BUS DE DONNEES détermine la TAILLE DES MOTS que l'on peut mémoriser dans la mémoire.
• Le nombre de bits du BUS D'ADRESSE détermine la CAPACITE, c'est à dire le NOMBRE DE MOTS que la mémoire peut stocker.

 

 

Nombre de bits du bus d'adresse	Capacité
10	210 = 1kilo = 1k
20	220 = 1Méga = 1M
30	230 = 1Giga = 1G
40	240 = 1Téra = 1T

 

Mémoire morte ou ROM.

Une mémoire ROM (Read Only Memory) est une mémoire dont le contenu a été défini et réalisé une bonne fois pour toutes au moment de la fabrication. Sa programmation est faite directement sur le wafer (galette de silicium) à l'aide des masques de programmation. On utilise ce genre de mémoire quand l'information qu'on y enregistre est une information figée qui n'est pas susceptible de subir un changement, comme par exemple les valeurs de la fonction sinus pour les angles compris entre 0 et 90°.

1. Cellule d'une mémoire ROM.

Il s'agit essentiellement de présence ou d'absence d'une connexion entre une ligne et une colonne. Cette connexion peut être une métallisation (court-circuit), une diode ou un transistor MOS. Pour lire le contenu de la cellule (i,j), on met la colonne j à 0 et on lit la sortie D sur la ligne i.

• S’il y a présence de connexion ⇒ D = 0.
• S’il y a absence de connexion ⇒ D = 1.

 

En technologie MOS, le point de connexion est un transistor MOS avec ou sans grille selon que l’on désire mémoriser un 0 ou un 1. Pour lire le contenu de la cellule (i,j), on met la ligne i à 1 et on lit la sortie D sur la colonne j.

• Si c’est un MOS avec grille, il conduit ⇒ Dj = 0.
• Si c’est un MOS sans grille, il ne conduit pas ⇒ D = 1.

 

Mémoire EEPROM.

Ces mémoires non volatiles présentent l'avantage d'être inscriptible électriquement et effaçable électriquement d'où leur nom EEPROM (Electrically erasable programmable Read Only Memory). Cela permet de gagner du temps car l'effacement électrique prend beaucoup moins de temps que l'effacement par ultraviolets.

Cellule d'une mémoire EEPROM.

Les EEPROM utilisent une technologie semblable au ROM avec la propriété d'être effaçable électriquement grâce à la présence d’un transistor MOS. En fait, on peut réécrire dans la mémoire avec une impulsion électrique sans être obligé de l'effacer. Ceci est rendu possible car la zone (tunnel) isolant la grille et le drain du MOSFET a une épaisseur très mince (50 à 200Å contre 1000 pour l'EPROM) ce qui rend possible le déplacement des électrons dans les deux sens.

Le développement des EEPROM a ouvert un champ d'utilisation très important car on a enfin des mémoires électroniques non volatiles. Elles ne sont pas aussi rapides que les RAM, mais en tout cas, bien plus rapides et surtout moins encombrantes que les mémoires magnétiques. Les plus rapides sont appelées mémoires flash. Elles remplacent très avantageusement les disquettes et les cartes magnétiques, mais il faut attendre encore un peu pour arriver à la capacité des disques durs.

Mémoire flash.

Les mémoires flash sont des EEPROM à accès rapide. L'accès en lecture est comparable à celui des RAM (<= 100ns). L'accès en écriture est plus long (<= 10μs). Elles rassemblent les avantages des mémoires ROM, des RAM ainsi que des disques durs.

On distingue des variantes à accès parallèle et d'autres à accès série. Sur les ordinateurs, elles sont utilisées surtout pour le stockage du bios. Ailleurs, ces mémoires sont utilisées dans beaucoup d'applications et sont promues à un avenir très prometteur. Les cartes à puces en sont fournies et elles remplacent déjà les disques durs sur certains ordinateurs portables.

Mémoire vive ou RAM.

La mémoire vive est une mémoire volatile dans laquelle on peut écrire ou lire une information. En anglais on la désigne sous le sigle RAM (Random Access Memory), mémoire à accès aléatoire, cela signifie qu'après avoir lu ou écrit dans une position mémoire, on peut lire ou écrire dans une autre position quelconque. Ceci par opposition avec les mémoires à accès séquentiel (série), dans lesquels après avoir lu ou écrit dans une position mémoire, la prochaine opération de lecture/écriture ne peut porter que sur la position mémoire immédiatement voisine. Remarquons que la nomenclature RWM (read write memory) aurait été plus appropriée. Le contenu d'une mémoire vive s'efface quand la tension d'alimentation disparaît, d'où la qualification de mémoire volatile.

On distingue les RAM statiques et les RAM dynamiques :

• Le taux d'intégration des RAM statique est assez faible et leur prix de revient (au Mbits) reste relativement élevé, par contre, leur temps d'accès est faible. Elles sont utilisées dans les mémoires caches (interne et externe).
• Le taux d'intégration des RAM dynamique est élevé et leur prix de revient (au Mbits) est plus faible mais leur temps d'accès est assez élevé. Elles sont utilisées dans la mémoire centrale.

 

1. Cellule d’une RAM statique.

Dans les RAM statiques, l'information est stockée dans une bascule (D par exemple). Comme on le sait une fois la sortie de la bascule est dans un état, elle y restera tant qu'on ne vient pas la changer en mettant le bit à enregistrer sur l'entrée D et en envoyant un coup d'horloge sur son entrée horloge. Les mémoires ainsi construites sont appelées les RAM Statiques (SRAM). Toutes les bascules (D, RS, JK) avec ou sans horloge peuvent servir de point de mémorisation, mais pour des raisons d'encombrement, on utilise des bascules bistables constituées de 6 transistors MOS ou de 2 transistors bipolaires. Les MOS sont plus utilisés du fait de leur facilité d'intégration et de leur faible consommation. Même cette solution reste trop encombrante ce qui fait qu'en général les RAM statiques n'ont pas une très grande capacité. La figure ci-dessous illustre la structure interne d'une cellule SRAM.

Le schéma de la figure suivante illustre l'exemple d'une RAM statique 16 bits organisée en matrice 4x4.

2. Cellule d’une RAM dynamique.

L'information est stockée dans une capacité de structure qui en fait la capacité parasite grille-substrat d'un transistor MOS. Le "1" logique correspond à la capacité chargée et le "0" logique correspond à la capacité déchargée. La cellule de mémorisation de base peut alors être réalisée de façon simplifiée par rapport à celle des mémoires statiques comme cela est illustré sure la figure ci-dessous. Cependant, si cette structure occupe peu de place, elle n'a par contre pas d'état stable car la capacité à tendance à se décharger dans la résistance de fuite associée à la capacité. Il faut donc constamment rafraîchir la mémoire, pour cela on lit la cellule à intervalle régulier (quelques millisecondes) et on réinscrit son contenu. Pour cette raison, la mémoire est dite dynamique. Les mémoires dynamiques sont environ 4 fois plus denses que les mémoires statiques de mêmes technologies mais plus délicates d'utilisation.

Mémoire FIFO ou file.

Ce sont des mémoires réinscriptibles volatiles organisées de sorte que l'accès se fait d'une façon séquentielle dite premier entré, premier sorti (FIFO : First In First Out). Un mémoire FIFO fonctionne comme une file devant un guichet, le premier qui se place dans la file sera le premier qui arrive au guichet donc le premier servi. Au fure et à mesure que les clients de tête sont servis, les autres progressent dans la file. L'ordre chronologique d'entrée est respecté en sortie.

Mémoire LIFO ou pile.

Ce sont des mémoires réinscriptibles volatiles organisées de sorte que l'accès se fait d'une façon séquentielle dite dernier entré, premier sorti (LIFO : Last In First Out). Un mémoire LIFO fonctionne comme une pile d'assiettes, la dernière assiette posée sur le dessus de la pile sera la première à en être retirée.

 

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2016-10-17 19:36:45 / mazoughou@magoe.gn