Fonctionnement d'un ordinateur/Les différents types de mémoires

Mémoire. Ce mot signifie dans le langage courant le fait de se rappeler quelque chose, de pouvoir s'en souvenir. La mémoire d'un ordinateur fait exactement la même chose (le nom de mémoire n'a pas été donné par hasard) mais pour un ordinateur. Son rôle est de retenir des données stockées sous la forme de suites de bits, afin qu'on puisse les récupérer si nécessaire et les traiter.

Il existe différents types de mémoires, au point que tous les citer demanderait un chapitre entier. Il faut avouer qu'entre les DRAM, SRAM, eDRAM, SDRAM, DDR-SDRAM, SGRAM, LPDDR, QDRSRAM, EDO-RAM, XDR-DRAM, RDRAM, GDDR, HBM, ReRAM, QRAM, CAM, VRAM, ROM, EEPROM, EPROM, Flash, et bien d'autres, il y a de quoi se perdre. Dans ce chapitre, nous allons parler des caractéristiques basiques qui permettent de classer les mémoires. Nous allons voir différents critères qui permettent de classer assez simplement les mémoires, sans évidemment rentrer dans les détails les plus techniques. Nous allons aussi voir les classifications basiques des mémoires.

La technologie utilisée pour le support de mémorisation

La première distinction que nous allons faire est la différence entre mémoire électronique, magnétique, optique et mécanique. Cette distinction n'est pas souvent évoquée dans les cours sur les mémoires, car elle est assez évidente et que l'on ne peut pas dire grand chose dessus. Mais elle a cependant son importance et elle mérite qu'on en parle.

Cette distinction porte sur la manière dont sont mémorisées les données. En effet, une mémoire informatique contient forcément des circuits électroniques, qui servent pour interfacer la mémoire avec le reste de l'ordinateur, pour contrôler la mémoire, et bien d'autres choses. Par contre, cela n'implique pas que le stockage des données se fasse forcément de manière électronique. Il faut bien distinguer le support de mémorisation, c'est à dire la portion de la mémoire qui mémorise effectivement des données, et le reste des circuits de la mémoire. Cette distinction sera décrite dans les prochains chapitres, mais elle est très importante.

Les mémoires à semi-conducteurs

Le support de mémorisation peut être un support électronique, comme sur les registres ou les mémoires ROM/RAM/SSD et autres. Les mémoires en question sont appelées des mémoires à semi-conducteurs. Le codage des données n'est pas différent de celui observé dans les registres, à savoir que les bits sont codées par une tension électrique. Elles sont presque toutes fabriquées avec des transistors MOS/CMOS, peu importe qu'il s'agisse des mémoires RAM ou ROM. La seule exception est celle des mémoires EEPROM et des mémoires FLASH, qui sont fabriquées avec des transistors à grille flottante, qui sont des transistors MOS modifiés. L'essentiel est que les mémoires à semi-conducteurs sont fabriquées à partir de transistors MOS et de portes logiques, comme les circuits vus dans les premiers chapitres du cours.

La loi de Moore influence directement la capacité des mémoires à semi-conducteurs. Une mémoire à semi-conducteurs est composée de cellules mémoires qui mémorisent chacune 1 bit (parfois plusieurs bits, comme sur les mémoires FLASH). Chaque cellule est elle-même composées d'un ou de plusieurs transistors MOS reliés entre eux. Plus la finesse de gravure est petite, plus des transistors l'est aussi et plus la taille d'une cellule mémoire l'est aussi. Quand le nombre de transistors d'une mémoire double, le nombre de cellules mémoire double, et donc la capacité double. D'après la loi de Moore, cela arrive tous les deux ans, ce qui est bien ce qu'on observe pour les mémoires SRAM, ROM, EEPROM et bien d'autres. Les performances de ces mémoires ont aussi suivi, encore que les mémoires DRAM stagnent pour des raisons qu'on expliquera dans quelques chapitres.

La quasi-totalité des mémoires actuelles utilisent un support électronique, les exceptions étant rares. Il faut dire que les mémoires électroniques ont l'avantage d'être généralement assez rapides, avec un débit binaire élevé et un temps d'accès faible. Mais en contrepartie, elles ont tendance à avoir une faible capacité comparé aux autres technologies. En conséquence, les mémoires électroniques ont surtout été utilisées dans le passé pour les niveaux élevés de la hiérarchie mémoire, mais pas comme mémoire de masse. Ce n'est qu'avec l'avancée des techniques de miniaturisation que les mémoires électroniques ont pu obtenir des capacités suffisantes pour servir de mémoire de masse. Là où les anciennes mémoires de masse étaient des mémoires magnétiques ou optiques, comme les disques durs ou les DVD/CD, la tendance actuelle est aux remplacement de celles-ci par des supports électroniques, comme les clés USB ou les disques SSD.

Les anciennes technologies de mémoire

Les mémoires magnétiques, assez anciennes, utilisaient un support de mémorisation magnétique, dont l'aimantation permet de coder un 0 ou un 1. Le support magnétique est généralement un plateau dont la surface est aimantée et aimantable, comme sur les disques durs et disquettes, ou une bande magnétique similaire à celle des vielles cassettes audio. Elles avaient des performances inférieures aux mémoires électroniques, mais une meilleure capacité, d'où leur utilisation en tant que mémoire de masse. Un autre de leur avantage est qu'elles ont une durée de vie assez importante, liée au support de mémorisation. On peut aimanter, ré-aimanter, désaimanter le support de mémorisation un très très grand nombre de fois sans que cela endommage le support de mémorisation. Le support de mémorisation magnétique tient donc dans le temps, bien plus que les supports de mémorisation électronique dont le nombre d'accès avant cassure est généralement limité. Malheureusement, les mémoires magnétiques contiennent des circuits électroniques faillibles, ce qui fait qu'elles ne sont pas éternelles.

Enfin, n’oublions pas les mémoires optiques comme les CD ou les DVD, dont le support de mémorisation est une surface réfléchissante. Elles sont composées d'une couche de plastique dans laquelle on fait des creux, creux qui sont utilisés pour coder des bits. Elles ont l'avantage d'avoir une bonne capacité, même si les temps d'accès et les débits sont minables. Elles ont une capacité et des performances plus faibles que celles des disques durs magnétiques, mais souvent meilleure que les autres formes de mémoire magnétique. Cette capacité intermédiaire est un avantage sur les mémoires magnétiques, hors disque dur. Leur inconvénient majeur est qu'elles s’abîment facilement. Toute personne ayant déjà eu des CD/DVD sait à quel point ils se rayent facilement et à quel point ces rayures peuvent tout simplement rendre le disque inutilisable.

Enfin, il faut mentionner les mémoires mécaniques, basées sur un support physique. L'exemple le plus connu est celui des cartes perforées, et d'autres mémoires similaires basées sur du papier. Mais il existe d'autres types de mémoire basées sur un support électro-acoustique comme les lignes à délai, des techniques de stockage basées sur de l'ADN ou des polymères, et bien d'autres. L'imagination des ingénieurs en terme de supports de stockage n'est plus à démontrer et leur créativité a donné des mémoires étonnantes.

Les mémoires ROM et RWM

Une seconde différence concerne la façon dont on peut accéder aux informations stockées dans la mémoire. Celle-ci permet de faire la différence entre les mémoires ROM et les mémoires RWM. Dans une mémoire ROM, on peut seulement récupérer les informations dans la première, mais pas les modifier individuellement. À l'inverse, les mémoires RWM permettent de récupérer les données, mais aussi de les modifier individuellement.

Les mémoires ROM

Avec les mémoires ROM, on peut récupérer les informations dans la mémoire, mais pas les modifier : la mémoire est dite accessible en lecture, mais pas en écriture. Si on ne peut pas modifier les données d'une ROM, certaines permettent cependant de réécrire intégralement leur contenu : on dit qu'on reprogramme la ROM. Insistons sur la différence entre reprogrammation et écriture : l'écriture permet de modifier un byte bien précis, alors que la reprogrammation efface toute la mémoire et la réécrit en totalité. De plus, la reprogrammation est généralement beaucoup plus lente qu'une écriture, sans compter qu'il est plus fréquent d'écrire dans une mémoire que la reprogrammer. Ce terme de programmation vient du fait que les mémoires ROM sont souvent utilisées pour stocker des programmes sur certains ordinateurs assez simples.

Les mémoires ROM sont souvent des mémoires électroniques, même si les exceptions sont loin d'être rares. On peut classer les mémoires ROM électroniques en plusieurs types :

les mask ROM sont fournies déjà programmées et ne peuvent pas être reprogrammées ;
les mémoires PROM sont fournies intégralement vierges, et on peut les programmer une seule fois ;
les mémoires RPROM sont reprogrammables, ce qui signifie qu'on peut les effacer pour les programmer plusieurs fois ;
- les mémoires EPROM s'effacent avec des rayons UV et peuvent être reprogrammées plusieurs fois de suite ;
- certaines RPROM peuvent être effacées par des moyens électriques : ce sont les mémoires EEPROM.

Les mémoires Flash sont un cas particulier d'EEPROM, selon la définition utilisée plus haut.

Les mémoires de type mask ROM sont utilisées dans quelques applications particulières. Par exemple, elles étaient utilisées sur les vieilles consoles de jeux, pour stocker le jeu vidéo dans les cartouches. Elles servent aussi pour les firmware divers et variés, comme le firmware d'une imprimante ou d'une clé USB. Par contre, le BIOS d'un PC (qui est techniquement un firmware) est stocké dans une mémoire EEPROM, ce qui explique qu'on peut le mettre à jour (on dit qu'on flashe le BIOS).

Les mémoires mask ROM sont intégralement construites en utilisant des transistors MOS normaux, ce qui fait que leurs performances est censée suivre la loi de Moore. Mais dans les faits, ce n'est pas vraiment le cas pour une raison simple : on n'a pas besoin de mémoires ROM ultra-rapides, ni de ROM à grosse capacité. Les ROM sont aujourd'hui presque exclusivement utilisées pour les firmware des systèmes embarqués à faible performance, ce qui contraint les besoins. Pas besoin d'avoir des ROM ultra-rapides pour stocker ce firmware.

Les mémoires PROM, RPROM, EPROM et EEPROM sont elles fabriqués autrement, généralement en utilisant des transistors MOS modifiés appelés transistors à grille flottante. Nous verrons ce que sont ces transistors dans quelques chapitres, mais nous pouvons d'or et déjà dire que leur fabrication n'est pas si différente des transistors MOS normaux. En conséquence, la loi de Moore s'applique, ce qui fait que la capacité de ces mémoires doubles environ tous les deux ans. Les performances s'améliorent aussi avec le temps, mais à un rythme moindre.

Il existe des mémoires ROM qui ne sont pas électroniques. Par exemple, prenez le cas des CD-ROM : une fois gravés, on ne peut plus modifier leur contenu. Cela en fait naturellement des mémoires ROM. D'ailleurs, c'est pour cela qu'on les appelle des CD-ROM : Compact Disk Read Only Memory ! Même chose pour les DVD-ROM ou les Blue-Ray.

Les mémoires RWM

Sur les mémoires RWM, on peut récupérer les informations dans la mémoire et les modifier : la mémoire est dite accessible en lecture et en écriture. Attention aux abus de langage : le terme mémoire RWM est souvent confondu dans le langage commun avec les mémoires RAM. Les mémoires RAM sont un cas particulier de mémoire RWM. La définition souvent retenue est qu'une mémoire RAM est une mémoire RWM dont le temps d'accès est approximativement le même pour chaque byte, contrairement aux autres mémoires RWM comme les disques durs ou les disques optiques où le temps d'accès dépend de la position de la donnée. Mais nous verrons dans la suite du cours que cette définition est quelques peu trompeuse et qu'elle omet des éléments importants. Un point important est que les mémoires RAM sont des mémoires électroniques : les mémoires RWM magnétiques, optiques ou mécaniques ne sont pas considérées comme des mémoires RAM.

Précisons que la définition des mémoires RWM contient quelques subtilités assez contre-intuitives. Par exemple, prenez les CD et DVD. Ceux qui ne sont pas réinscriptibles sont naturellement des mémoires ROM, comme l'a dit plus haut. Mais qu'en est-il des CD/DVD réinscriptibles ? On pourrait croire que ce sont des mémoires RWM, car on peut modifier leur contenu sans avoir formellement à les reprogrammer. Mais en fait non, ce n'en sont pas. Là encore, on retrouve la distinction entre écriture et reprogrammation des mémoires ROM. Pouvoir effacer totalement une mémoire pour y réinscrire de nouvelles données ensuite n'en fait pas une mémoire RWM. Il faut que l'écriture puisse être localisée, qu'on puisse modifier des données sans avoir à réécrire toute la mémoire. La capacité de modifier les données des mémoires RWM doit porter sur des données individuelles, sur des morceaux de données bien précis.

Une classification des mémoires suivant la possibilité de lecture/écriture/reprogrammation

Pour résumer, les mémoires peuvent être lues, écrites, ou reprogrammées. La distinction entre lecture et écriture permet de distinguer les mémoires ROM et RWM. Mais la distinction entre écriture et reprogrammation rend les choses plus compliquées. S'il fallait faire une classification des mémoires en fonction des opérations possibles en lecture et modification, cela donnerait quelque chose comme ceci :

Les mémoires ROM (Read Only Memory) sont accessibles en lecture uniquement, mais ne peuvent pas être écrites ou reprogrammées. Les mémoires mask ROM ainsi que les CD-ROM sont de ce type.
Les mémoires de type WOM (Write Once Memory), aussi appelées mémoires à programmation unique, sont des mémoires fournies vierges, que l'on peut reprogrammer une seule fois. Les mémoires PROM et les CD/DVD vierges inscriptibles une seule fois, sont de ce type.
Les mémoires PROM, aussi appelées mémoires reprogrammables peuvent être lues, mais aussi reprogrammées plusieurs fois, voire autant de fois que possible. Les mémoires EPROM et EEPROM, ainsi que les CD/DVD réinscirptibles sont dans ce cas.
Les mémoires RWM (Read Write Memory) peuvent être lues et écrites, la reprogrammation étant parfois possible sur certaines mémoires, bien que peu utile.

Notons que la technologie utilisée influence le caractère RWM/ROM/WOM/PROM d'une mémoire. Les mémoires magnétiques sont presque systématiquement de type RWM. En effet, un support magnétisable peut être démagnétisé facilement, ce qui les rend reprogrammables. On peut aussi changer son aimantation localement, et donc changer les bits mémorisés, ce qui les rend faciles à utiliser en écriture. Les mémoires électroniques peuvent être aussi bien de type ROM, ROM, WOM que RWM. Les mémoires optiques ne peuvent pas être des mémoires RWM, et ce sont les seules. En effet, les mémoires optiques sont composées d'une couche de plastique dans laquelle on fait des creux, creux qui sont utilisés pour coder des bits. Une fois la surface plastique altérée, on ne peut pas la remettre dans l'état initiale. Cela explique que les CD-ROM et DVD-ROM sont donc des mémoires de type ROM. les CD et DVD vierges sont vierges, mais on peut les programmer en faisant des trous dedans, ce qui en fait des mémoires de type WOM. Les CD/DVD réinscriptibles ont plusieurs couches de plastiques, ce qui permet de les reprogrammer plusieurs fois. La reprogrammation demande juste d'enlever une couche de plastique, ce qui est facile quand on sait faire des trous dans cette couche pour écrire des bits. On peut alors entamer la couche d'en-dessous.

Le tableau suivant montre le lien entre la technologie de fabrication et les autres caractères.

	Mémoire RWM/ROM
Mémoires électroniques	ROM, WOM, reprogrammables ou RWM.
Mémoires magnétiques	RWM
Mémoires optiques	ROM, WOM ou reprogrammable

Les mémoires volatiles et non-volatiles

Lorsque vous éteignez votre ordinateur, le système d'exploitation et les programmes que vous avez installés ne s'effacent pas, contrairement au document Word que vous avez oublié de sauvegarder. Les programmes et le système d'exploitation sont placés sur une mémoire qui ne s'efface pas quand on coupe le courant, contrairement à votre document Word non-sauvegardé. Cette observation nous permet de classer les mémoires en deux types : les mémoires non-volatiles conservent leurs informations quand on coupe le courant, alors que les mémoires volatiles les perdent.

Les mémoires volatiles

Les mémoire volatiles sont presque toutes des mémoires électroniques. Comme exemple de mémoires volatiles, on peut citer la mémoire principale, aussi appelée mémoire RAM, les registres du processeur, la mémoire cache et bien d'autres. Globalement, toutes les mémoires qui ne sont pas soit des mémoires ROM/PROM/..., soit des mémoires de masse (des mémoires non-volatiles capables de conserver de grandes quantités de données, comme les disques durs ou les clés USB) sont des mémoires volatiles. La raison à cela est simplement liée à la hiérarchie mémoire : là où les mémoires ROM et les mémoires de masse conservent des données permanentes, les autres mémoires servent juste à accélérer les temps d'accès en stockant des données temporaires ou des copies des données persistantes.

Typiquement, si on omet quelques mémoires historiques aujourd'hui obsolètes, les mémoires volatiles sont toutes des mémoires RAM ou associées. Il existe cependant des projets de mémoires RAM (donc des mémoires RWM électroniques) destinées à être non-volatiles. C'est le cas de la FeRAM, la ReRAM, la CBRAM, la FeFET memory, la Nano-RAM, l'Electrochemical RAM et de bien d'autres encore. Mais ce sont encore des projets en cours de développement, la recherche poursuivant lentement son cours. Elles ne sont pas prêtes d'arriver dans les ordinateurs grand publics de si tôt. Pour le moment, la correspondance entre mémoires RAM et mémoires volatile tient bien la route.

Les mémoires SRAM et DRAM

Parmi les mémoires volatiles, on peut distinguer les mémoires statiques et les mémoires dynamiques. La différence entre les deux est la suivante. Les données d'une mémoire statique ne s'effacent pas tant qu'elles sont alimentées en courant. Pour les mémoires dynamiques, les données s'effacent en quelques millièmes ou centièmes de secondes si l'on n'y touche pas. Sur les mémoires volatiles dynamiques, il faut réécrire chaque bit de la mémoire régulièrement, ou après chaque lecture, pour éviter qu'il ne s'efface. On dit qu'on doit effectuer régulièrement un rafraîchissement mémoire. Le rafraîchissement prend du temps, et a tendance à légèrement diminuer la rapidité des mémoires dynamiques. Mais en contrepartie, les mémoires dynamiques ont une meilleure capacité, car leurs bits prennent moins de place, utilisent moins de transistors.

Les RAM statiques sont appelées des SRAM (Static RAM), alors que les RAM dynamiques sont appelées des DRAM (Dynamic RAM). Les SRAM et DRAM ne sont pas fabriquées de la même manière : transistors uniquement pour la première, transistors et condensateurs (des réservoirs à électrons) pour l'autre. Les SRAM ont des performances excellentes, mais leur capacité laisse à désirer, alors que c'est l'inverse pour la DRAM. Aussi, leur usage ne sont pas les mêmes.

Leur usage dépend de si l'on parle de systèmes embarqués/industriels ou des PC pour utilisateur particulier/professionnel. La SRAM est surtout utilisée dans les microcontrôleurs ou les systèmes assez simples, pour lesquels le rafraichissement mémoire poserait plus de problèmes que nécessaires. Les microcontrôleurs ou systèmes embarqués n'utilisent généralement pas de mémoire DRAM. Dans les PC actuels, la SRAM est intégrée dans le processeur et se trouve dans le cache du processeur, éventuellement pour les local store. A l'opposé, la DRAM est utilisée pour fabriquer des barrettes de mémoire, pour la RAM principale.

La différence entre les deux est que la SRAM est utilisée comme mémoire à l'intérieur d'un circuit imprimé, qui regroupe mémoire, processeur, et éventuellement d'autres circuits. Par contre, la DRAM est placée dans un circuit à part, séparé du processeur, dans son propre boitier rien qu'à elle, voire dans des barrettes de mémoire. Et la raison à cela est assez simple : la SRAM utilise les mêmes technologies de fabrication CMOS que les autres circuits imprimés, alors que la DRAM requiert des condensateurs et donc des techniques de fabrication distinctes.

Les eDRAM et pseudo-SRAM

Il existe cependant une exception : la eDRAM, pour embedded DRAM, qui est intégrée dans le même circuit intégré, le même boitier, la même puce que d'autres composants. Tout le défi est de mettre des condensateurs sur une puce en silicium, dans un circuit intégré, alors que les techniques de fabrication des processeurs font que ce n'est pas facile. Généralement, elle est placée dans la même puce qu'un processeur, afin de servir de mémoire cache ou de local store.

L'eDRAM a été utilisée sur certains processeurs comme mémoire cache (cache L4, le plus proche de la mémoire sur ces puces). Elle a aussi été utilisée dans des consoles de jeu vidéo, pour la carte graphique des consoles suivantes : la PlayStation 2, la PlayStation Portable, la GameCube, la Wii, la Wii U, et la XBOX 360. Sur ces consoles, la RAM de la carte graphique était intégrée avec le processeur graphique dans le même circuit. La fameuse mémoire vidéo et le GPU n'étaient qu'une seule et même puce électronique, un seul circuit intégré.

Il existe des mémoires qui sont des intermédiaires entre les mémoires SRAM et DRAM. Il s'agit des mémoires pseudo-statiques, qui sont techniquement des mémoires DRAM, utilisant des transistors et des condensateurs, mais qui gèrent leur rafraichissement mémoire toutes seules. Sur les DRAM normales, le rafraichissement mémoire est effectué par le processeur ou par le contrôleur mémoire sur la carte mère. Il envoie régulièrement des commandes de rafraichissement à la mémoire, qui rafraichissent une ou plusieurs adresses à la fois. Mais sur les mémoires pseudo-statiques, le rafraichissement se fait automatiquement sans intervention extérieure. Des circuits intégrés à la mémoire pseudo-statiques font le rafraichissement automatiquement.

Les mémoires non-volatiles

Les mémoires de masse, à savoir celles destinées à conserver un grand nombre de données sur une longue durée, sont presque toutes des mémoires non-volatiles. Il faut dire qu'on attend d'elles de conserver des données sur un temps très long, y compris quand l'ordinateur s’éteint. Personne ne s'attend à ce qu'un disque dur ou SSD s'efface quand on éteint l'ordinateur. Ainsi, les mémoires suivantes sont des mémoires non-volatiles : les clés USB, les disques SSD, les disques durs, les disquettes, les disques optiques comme les CD-ROM et les DVD-ROM, de vielles mémoires comme les bandes magnétiques ou les rubans perforés, etc. Comme on le voit, les mémoires non-volatiles peuvent être des mémoires magnétiques (disques durs, disquettes, bandes magnétiques), électroniques (clés USB, disques SSD), optiques (CD, DVD) ou autres. Vous remarquerez que certaines de ces mémoires sont de type RWM (disques SSD, clés USB), alors que d'autres sont de type ROM (les CD/DVD non-réinscriptibles).

Il faut cependant noter qu'il existe quelques exceptions, où des mémoires RAM sont rendues non-volatiles et utilisées pour du stockage de long terme. Nous ne parlons pas ici des projets de mémoires RAM non-volatiles comme la FeRAM ou la CBRAM, évoqués plus haut. Nous parlons de cas où la mémoire volatile est couplée à un système qui empêche toute perte de données. Un exemple de mémoire de masse volatile est celui des nvSRAM et des BBSRAM. Ce sont des mémoires RAM, donc volatiles, de petite taille, qui sont rendues non-volatiles par divers stratagèmes.

Sur les BBSRAM (Battery Backed SRAM), la mémoire SRAM est couplée à une petite batterie/pile/super-condensateur qui l'alimente en permanence, ce qui lui empêche d'oublier des données. La batterie est généralement inclue dans le même boîtier que la mémoire SRAM. Ce sont des composants qui consomment peu de courants et qui peuvent tenir des années en étant alimentés par une simple pile bouton. Vous en avez une dans votre ordinateur, appelée la CMOS RAM, qui mémorise les paramètres du BIOS, la date, l'heure et divers autres informations.
Contrairement aux BBSRAM, les nvRAM (non-volatile RAM) n'ont pas de circuit d'alimentation qui prend le relai en cas de coupure de l’alimentation électrique. À la place, elles contiennent une mémoire non-volatile RWM dans laquelle les données sont sauvegardées régulièrement ou en cas de coupure de alimentation. Typiquement, la SRAM est couplée à une petite mémoire FLASH (la mémoire des clés USB et des SSD) dans laquelle on sauvegarde les données quand le courant est coupé. Si la tension d'alimentation descend en dessous d'un certain seuil critique, la sauvegarde dans l'EEPROM démarre automatiquement. Pendant la sauvegarde, la mémoire est alimentée durant quelques secondes par un condensateur de secours qui sert de batterie temporaire.

I9ntérieur de plusieurs cartouches de Nintendo Super NES. On voit la pile de sauvegarde sur les deux du haut.

Les ordinateurs personnels de type PC contiennent tous une mémoire nvRAM ou BBSRAM, appelée la CMOS RAM. Elle mémorise des paramètres de configuration basique (les paramètres du BIOS). Les paramètres en question permettent de configurer le matériel lors de l'allumage, de stocker l'heure et la date et quelques autres paramètres du genre. Les BBSRAM ont aussi été utilisées dans les cartouches de jeux vidéo, pour stocker les sauvegardes. C'est le cas sur les cartouches de jeux vidéo NES ou d'anciennes consoles de cette époque, qui contenaient une puce de sauvegarde interne à la cartouche. La puce de sauvegarde n'était autre qu'une BBSRAM dans laquelle le processeur de la console allait écrire les données de sauvegarde. Les données de sauvegarde n'étaient pas effacée quand on retirait la cartouche de la console grâce à une petit pile bouton qui alimentait la BBSRAM. Si vous ouvrez une cartouche de ce type, vous verrez la pile assez facilement. Il y avait la même chose sur les cartouches de GameBoy ou de GBA, et la pile était parfois visible sur certaines cartouches transparentes (c'était notamment le cas sur la cartouche de Pokemon Cristal).

Un autre exemple de mémoire non-volatile fabriquée à partir de mémoires RAM est celui des RAM drive matériels, des disques durs composés de barrettes de RAM connectées à une carte électronique et une batterie. La carte électronique fait l'interface entre le connecteur du disque dur et les barrettes de mémoire, afin de simuler un disque dur à partir des barrettes de RAM. Les barrettes sont alimentées par une batterie, afin qu'elles ne s'effacent pas. Ces RAM drive sont plus rapides que les disques durs normaux, mais ont le défaut de consommer beaucoup plus d'électricité et d'avoir une faible capacité mémoire. Ils sont peu utilisés, car très cher et peu utiles au quotidien.

Le lien avec la technologie de fabrication et les autres critères

La technologie de fabrication influence le caractère volatile ou non d'une mémoire. Prenons par exemple le cas des mémoires magnétiques. L'aimantation du support magnétique est persistante, ce qui veut dire qu'il est rare qu'un support aimanté perde son aimantation avec le temps. Le support de mémorisation ne s'efface pas spontanément et lui faire perdre son aimantation demande soit de lui appliquer un champ magnétique adapté, soit de le chauffer à de très fortes températures. Il n'est donc pas surprenant que toutes les mémoires magnétiques soient non-volatiles. Pareil pour les mémoires optiques : le plastique qui les compose ne se dégrade pas rapidement, ce qui lui permet de conserver des informations sur le long-terme. Mais pour les mémoires électroniques, ce n'est pas étonnant que des mémoires qui marche à l'électricité s'effacent quand on coupe le courant. On s'attend donc à ce que les mémoires électroniques soient volatiles, sauf pour les mémoires ROM/PROM/EPROM/EEPORM qui sont rendues non-volatiles par une conception adaptée.

	Mémoire non-volatile/volatile
Mémoires électroniques	Volatile ou non-volatile
Mémoires magnétiques	Non-volatiles
Mémoires optiques	Non-volatiles

Le lien entre caractère volatile/non-volatile et le caractère RWM/ROM est lui plus compliqué. Toutes les mémoires volatiles sont des mémoires de type RWM, le caractère volatile impliquant d'une manière ou d'une autre que la mémoire est de type RWM ou au minimum reprogrammable. Après tout, si une mémoire s'efface quand on l'éteint, c'est signe qu'on doit écrire des données utiles demande au prochain allumage pour qu'elle serve à quelque chose. Par contre, la réciproque n'est pas vraie : il existe des mémoires RWM non-volatiles, comme les disque SSD ou les disques dur. Inversement, si on ne peut pas reprogrammer ou écrire dans une mémoire, c'est signe qu'elle ne peut pas s'effacer : les mémoires de type ROM, WOM ou reprogrammables, sont forcément non-volatiles. On a donc :

mémoire ROM/WOM => mémoire non-volatile
mémoire volatile => mémoire RWM et/ou reprogrammable.

Le tableau suivant résume les liens entre le caractère volatile/non-volatile d'une mémoire et son caractère ROM/RWM. La liste des mémoires n'est pas exhaustive.

	Mémoire non-volatile	Mémoire volatile
Mémoire RWM	Disques durs, disquettes. Quelques mémoires historiques, comme la mémoire à tores de ferrites. Disques SSD, clés USB et autres mémoires à base de mémoire Flash. Mémoires RAM non-volatiles : nvSRAM et BBSRAM.	Mémoires adressables de type RAM (SRAM, DRAM) : registres du processeur, mémoire cache, mémoire RAM principale. Mémoires associatives (voir dans la prochaine section). Mémoires tampons FIFO et LIFO (voir dans la prochaine section).
Mémoire reprogrammable	EPROM, EEPPROM, mémoire Flash, ... Disques optiques réinscriptibles : CD, DVD, Blue-Ray.	Théoriquement possible, mais pas utilisé en pratique
Mémoire WOM	PROM Disques optiques vierge, non-réinscriptibles : CD, DVD, Blue-Ray.	Impossible
Mémoire ROM	Mémoires ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash. Disques optiques non-vierges, non-réinscriptibles : CD, DVD, Blue-Ray.	Impossible

L'adressage et les accès mémoire

Les mémoires se différencient aussi par la méthode d'accès aux données mémorisées.

Les mémoires adressables

Les mémoires actuelles utilisent l'adressage : chaque case mémoire se voit attribuer un numéro, l'adresse, qui va permettre de la sélectionner et de l'identifier parmi toutes les autres. On peut comparer une adresse à un numéro de téléphone (ou à une adresse d'appartement) : chacun de vos correspondants a un numéro de téléphone et vous savez que pour appeler telle personne, vous devez composer tel numéro. Les adresses mémoires en sont l'équivalent pour les cases mémoires. Ces mémoires adressables peuvent se classer en deux types : les mémoires à accès aléatoire, et les mémoires adressables par contenu.

Les mémoires à accès aléatoire sont des mémoires adressables, sur lesquelles on doit préciser l'adresse de la donnée à lire ou modifier. Certaines d'entre elles sont des mémoires électroniques non-volatiles de type ROM, d'autres sont des mémoires volatiles RWM, et d'autres sont des mémoires RWM non-volatiles. Comme exemple, les disques durs de type SSD sont des mémoires adressables. La mémoire principale, la fameuse mémoire RAM est aussi une mémoire adressable. D'ailleurs, le terme de mémoire RAM (Random Access Memory) désigne des mémoires qui sont à la fois adressables, de type RWM et surtout volatiles.

Les mémoires associatives fonctionnent comme une mémoire à accès aléatoire, mais dans le sens inverse. Au lieu d'envoyer l'adresse pour accéder à la donnée, on va envoyer la donnée pour récupérer son adresse : à la réception de la donnée, la mémoire va déterminer quelle case mémoire contient cette donnée et renverra l'adresse de cette case mémoire. Cela peut paraître bizarre, mais ces mémoires sont assez utiles dans certains cas de haute volée. Dès que l'on a besoin de rechercher rapidement des informations dans un ensemble de données, ou de savoir si une donnée est présente dans un ensemble, ces mémoires sont reines. Certains circuits internes au processeur ont besoin de mémoires qui fonctionnent sur ce principe. Mais laissons cela à plus tard.

Les mémoires caches

Sur les mémoires caches, chaque donnée se voit attribuer un identifiant, qu'on appelle le tag. Une mémoire à correspondance stocke non seulement la donnée, mais aussi l'identifiant qui lui est attribué : cela permet ainsi de mettre à jour l'identifiant, de le modifier, etc. En somme, le Tag remplace l'adresse, tout en étant plus souple. La mémoire cache stocke donc des couples tag-donnée. À chaque accès mémoire, on envoie le tag de la donnée voulue pour sélectionner la donnée.

Les mémoires séquentielles

Sur d'anciennes mémoires, comme les bandes magnétiques, on était obligé d'accéder aux données dans un ordre prédéfini. On parcourait la mémoire dans l'ordre, en commençant par la première donnée : c'est l'accès séquentiel. Pour lire ou écrire une donnée, il fallait visiter toutes les cases mémoires dans l'ordre croissant avant de tomber sur la donnée recherchée. Et impossible de revenir en arrière ! Et ces mémoires sont loin d'être les seules. Les CD-ROM et les DVD/Blue-Ray sont dans le même cas, dans une certaine mesure. Les mémoires de ce type sont appelées des mémoires séquentielles. Ce sont des mémoires spécialisées qui ne fonctionnent pas avec des adresses et qui ne permettent d’accéder aux données que dans un ordre bien précis, qui contraint l'accès en lecture ou en écriture.

Il existe plusieurs types de mémoires séquentielles, qui se différencient par l'ordre dans lequel les données sont lues ou écrites, ou encore par leur caractère électronique, magnétique ou optique. Dans ce qui va suivre, nous allons nous restreindre aux mémoires séquentielles qui sont volatiles, la totalité étant électroniques. Si on omet les registres à décalage, les mémoires séquentielles électroniques sont toutes soit des mémoires FIFO, soit des mémoires LIFO. Ces deux types de mémoire conservent les données triées dans l'ordre d'écriture (l'ordre d'arrivée). La différence est qu'une lecture dans une mémoire FIFO renvoie la donnée la plus ancienne, alors qu'elle renverra la donnée la plus récente pour une mémoire LIFO, celle ajoutée en dernier dans la mémoire. Dans les deux cas, la lecture sera destructrice : la donnée lue est effacée.

On peut voir les mémoires FIFO comme des files d'attente, des mémoires qui permettent de mettre en attente des données tant qu'un composant n'est pas prêt. Seules deux opérations sont possibles sur de telles mémoires : mettre en attente une donnée (enqueue, en anglais) et lire la donnée la plus ancienne (dequeue, en anglais).

De même, on peut voir les mémoires LIFO comme des piles de données : toute écriture empilera une donnée au sommet de cette mémoire LIFO (on dit qu'on push la donnée), alors qu'une lecture enlèvera la donnée au sommet de la pile (on dit qu'on pop la donnée).

Les mémoires synchrones et asynchrones

Les toutes premières mémoires électroniques étaient des mémoires asynchrones, non-synchronisées avec le processeur via une horloge. Avec elles, le processeur devait attendre que la mémoire réponde et devait maintenir adresse et données pendant ce temps. Pour éviter cela, les concepteurs de mémoire ont synchronisé les échanges entre processeur et mémoire avec un signal d'horloge : les mémoires synchrones sont nées. L'utilisation d'une horloge a l'avantage d'imposer des temps d'accès fixes. Un accès mémoire prend un nombre déterminé (2, 3, 5, etc) de cycles d'horloge et le processeur peut faire ce qu'il veut dans son coin durant ce temps.

Il existe plusieurs types de mémoires synchrones. Les premières sont tout simplement des mémoires naturellement synchrones. Elles sont construites avec des bascules D synchrones, ce qui fait que le support de mémorisation est lui-même synchrone. Mais cela ne concerne que quelques mémoires SRAM bien spécifiques, d'une utilisation très limitée. De nos jours, cela ne concerne que les registres du processeurs ou quelques mémoires tampons bien spécifiques utilisées dans les processeurs modernes.

Le second type de mémoire synchrone prend une mémoire asynchrone et ajoute des registres sur ses entrées/sorties. Instinctivement, on se dit qu'il suffit de mettre des registres sur les entrées associées au bus d'adresse/commande, et sur les entrées-sorties du bus de données. Mais faire ainsi a des conséquences pas évidentes, au niveau du nombre de cycles utilisés pour les lectures et écritures. Nous détaillerons tout cela dans le chapitre sur les mémoires SRAM synchrones, ainsi que dans le chapitre sur les DRAM.

Le lien entre les différents types de mémoires

Le tableau suivant montre le lien entre la technologie de fabrication et les autres caractères.

	Mémoire non-volatile/volatile	Mémoire RWM/ROM	Méthode d'accès
Mémoires électroniques	Volatile ou non-volatile	ROM, WOM, reprogrammables ou RWM	Adressables, séquentielles, autres
Mémoires magnétiques	Non-volatiles	RWM	Séquentielles, adressables pour les disques durs et disquettes
Mémoires optiques	Non-volatiles	ROM, WOM ou reprogrammable	Séquentielles

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