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Relations entre microprocesseur et les mémoires

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Dernière mise à jour : 31 janvier 2005

Un des éléments d'un ordinateur est l'unité centrale de calcul (en anglais : Central Processing Unit). Cette unité centrale reçoit des informations via des périphériques d'entrée (clavier, lecteur de code barre, souris, ...), les traite et envoie les résultats sur des périphériques de sortie (écran, imprimante, hauts-parleurs, ...). Pour ces traitements, l'unité centrale a besoin d'espace de stockage "immédiat", la mémoire RAM (Random Access Memory).

Figure 1. Relations entre entrée, sortie, CPU et RAM

Le CPU est extrêmement rapide (de l'ordre du giga-hertz, GHz) mais il va chercher ses informations dans la mémoire RAM qui est trop lente. Les différents fondeurs de puces ont alors créé le système de mémoire cache, une mémoire plus rapide (donc plus chère et plus petite) située entre le CPU et la mémoire RAM.

La mémoire cache de niveau 1 (L1 pour level 1 ou Internal Cache) est gravée dans le circuit du processeur, elle est directement en relation avec le CPU et travaille à la même vitesse que lui. Sa capacité actuelle est souvent de 512 ko. C'est là où seront stockées les informations auquelles le CPU devra accéder souvent et/ou rapidement.

Si l'information cherchée ne se trouve pas dans la cache L1, le CPU va la chercher plus loin, dans la mémoire cache externe (External Cache). Sa capacité actuelle est souvent de 512 ko à 2 Mo. Mais, comme elle n'est pas dans les circuits mêmes du processeur, la vitesse d'accession à ses informations est moins rapide.

Finalement, si l'information n'est toujours pas trouvée, le CPU peut aller la chercher dans la mémoire RAM, beaucoup plus lente mais également beaucoup imposante en termes de capacité (actuellement entre 128 Mb et 1 Gb). On se rend ainsi compte qu'au plus les caches sont grands, mieux c'est.

Figure 2. Relations le CPU et les différents types de mémoires

Lorsque l'information doit être déplacée d'un type de mémoire à un autre type, le CPU utilise la technique de paging : il déplace des blocs d'informations, dont l'information dont il a besoin. En effet, il assume qu'il aura bientôt besoin d'autres informations et que ces dernières se trouvent aux alentours de l'information dont il a besoin pour le moment.

Entre les différents types de mémoires et le CPU, les "chemins" sont appelés des bus. La vitesse d'un bus peut etre différente entre les mémoires. Elle tourne autour des 200 MHz. Ainsi, on dira que la mémoire cache L1 est rapide car elle ne passe pas par un bus pour communiquer avec le CPU.

Pour palier au manque de mémoire pour certains programmes, le système d'exploitation Windows de Microsoft utilise une autre technique : la mémoire virtuelle (Virtual Memory). La mémoire virtuelle utilise une partie du disque dur (très lent par rapport aux autres mémoires ci-dessus) comme espace de mémoire lorsque la mémoire RAM est saturée.

Par exemple, si on appelle le programme 2 alors qu'on utilisait le programme 1, Windows va décharger le programme 1 de sa mémoire sur le disque dur et charger le programme 2 dans la RAM. Lorsqu'on veut revenir au programme 1, Windows va de nouveau échanger (en anglais : to swap) les programme (le 1 vient du disque dur dans la RAM et le 2 part de la RAM pour aller dans le disque dur).

Certains programmes de Microsoft sont bien connus pour occuper de plus en plus de mémoire (par exemple, Internet Explorer), suite à des fuites de mémoire : le programme laisse des bouts de mémoire dont il n'a plus besoin en RAM et les oublie. Mais le système d'exploitation sait qu'ils existent toujours et doit essayer de faire de la place pour les nouvelles fonctionnalités demandées par l'utilisateur. Le système d'exploitation va swapper tout seul et meme s'il est tout seul.

Démonstration de matériel :

• une barrette de RAM EDO (point négatif : à utiliser par paire et de préférence identiques)
• des disques durs
• un lecteur de CD-ROM
• un carte mère avec connecteurs ISA et PCI, IDE pour disque dur (60 broches) et pour disquettes (44 broches ?)
• une alimentation (la seule pièce fragile est le ventilateur) ; il faut aussi faire attention à sa puissance car elle ne peut pas "nourrir" n'importe quoi (faire attention aux ports USB auto-alimentés, notamment). Il faut respecter la loi :

P = U . I
(en courant continu)
ou
P = U . I . cos(φ)
(en courant alternatif)

avec :
P = puissance en watts (W)
U = courant en volts (V)
I = intensité en ampères (A)