Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 19/05/2019

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Signets : 
  Évolution des Mémoires RAM        Mémoires RAM Dynamiques      Mémoires Volatiles et non volatiles
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Évolution des Mémoires RAM - Mémoires RAM Dynamiques - Mémoires Volatiles et non Volatiles :


2. 3. - CHRONOGRAMMES

Pour faire fonctionner une mémoire, il faut réunir certaines conditions.

2. 3. 1. - LECTURE EN MÉMOIRE

Pour lire dans une mémoire, il faut présenter l'adresse de la donnée que l'on veut lire, mettre l'entrée de lecture / écriture (R / W_barre.gif) à l'état actif (généralement «1») et sélectionner le boîtier de la mémoire en appliquant sur les entrées de sélection un niveau actif.

Ces conditions sont décrites par le chronogramme de la figure 28.

Chronogramme_de_lecture_d_une_memoire.gif

Dans ce chronogramme et le suivant, les parties hachurées indiquent que l'état des entrées concernées peut varier.

Le niveau de la sortie donnée représenté à mi chemin de l'état 1 et de l'état 0 indique qu'elle est à l'état «haute impédance».

L'état «haute impédance» correspond au cas où le circuit de sortie est déconnecté. Cette déconnection est réalisée grâce à des circuits «TRI-STATE» qui seront examinés dans la Pratique Digitale 12.

On constate qu'il faut un certain temps appelé temps d'accès pour que la donnée disponible en sortie soit validée après que les entrées d'adresse, de lecture / écriture et de sélection aient été activées.

Lorsque les entrées de sélection sont activées, les bus de données ne sont plus dans l'état «haute impédance», mais ne donnent pas pour autant la donnée correspondante à l'adresse désirée.

En effet, le temps de propagation de l'état des entrées d'adresse et de lecture / écriture est plus grand que celui des entrées de sélection.

2. 3. 2. - ÉCRITURE EN MÉMOIRE

Pour écrire dans une mémoire, il faut procéder de façon analogue à celle utilisée lors de la lecture.

Tout d'abord, on présente l'adresse de la donnée que l'on veut mémoriser, on soumet l'entrée de lecture / écriture à l'état actif (généralement 0), on sélectionne le boîtier de la mémoire en activant les entrées de sélection et enfin on applique sur les bus de données la valeur à mémoriser pendant un temps au moins égal au temps d'accès de la mémoire. Ces différentes opérations sont représentées dans le chronogramme de la figure 29.

Chronogramme_d_ecriture_d_une_memoire.gif

HAUT DE PAGE 2. 4. - ÉVOLUTION DES MÉMOIRES RAM

Dans une mémoire RAM statique, chaque bit d'information est mémorisé dans une bascule à transistors qui nécessite au moins deux transistors. En réalité, pour que cette bascule soit adressable, le schéma de chaque cellule mémoire se complique un peu et se présente sous la forme indiquée figure 30.

Structure_d_une_cellule_de_RAM_Statique.gif

Les transistors T3, T4, T5 et T6 forment la bascule ; le transistor T1 sert à sélectionner la mémoire pour y écrire une donnée, alors que le transistor T2 sert à sélectionner la cellule pour lire son contenu.

Ce ne sont donc pas deux mais six transistors qui sont nécessaires pour stocker un bit. Les constructeurs ont alors pensé à réduire le nombre de transistors d'une cellule mémoire de façon à pouvoir en intégrer un plus grand nombre sur une même surface. Ils ont alors imaginé les RAM dynamiques.

Dans celles-ci, l'information n'est plus stockée sous forme d'état d'une bascule mais est emmagasinée dans un condensateur.

HAUT DE PAGE 2. 5. - LES MÉMOIRES RAM DYNAMIQUES

Les mémoires dynamiques stockent les informations (ou bits) sous la forme de charges électriques appliquées à de petits condensateurs intégrés. Ces condensateurs ont des capacités de l'ordre de 50 femtofarads soit 50 x 10-15 farads.

A un condensateur chargé correspond la valeur logique 1. A un condensateur déchargé correspond la valeur logique 0. Sa charge peut être de l'ordre de 500 femtocoulombs, charge correspondant à une tension de 10 volts à ses bornes.

Bien que cette valeur de charge puisse sembler faible, elle correspond tout de même à trois millions d'électrons et l'on peut considérer qu'une charge mille fois moindre permettrait encore une mémorisation fiable.

Le schéma d'une cellule élémentaire de RAM dynamique se résume à celui représenté figure 31-a.

Cellule_de_RAM_dynamique.gif

Elle est constituée d'un transistor MOS et du condensateur de mémorisation C qui est en réalité la capacité parasite GRILLE-SUBSTRAT du transistor. La résistance R en série dans le circuit drain est en réalité constituée par un second transistor MOS dont la grille et la source sont reliées comme le montre la figure 31-b.

Une cellule de mémoire RAM dynamique nécessite donc en réalité deux transistors, soit trois fois moins qu'une cellule de mémoire RAM statique. Cette simplicité permet d'atteindre des densités d'intégration assez élevées sur les surfaces restreintes. A l'heure actuelle, la plupart des constructeurs proposent des RAM dynamiques de 256 kilobits. Cette diminution du nombre de transistors par cellule mémoire réduit d'autant la consommation et augmente la rapidité, ce qui constitue deux avantages non négligeables.

Par contre, l'inconvénient majeur de ces mémoires est que si on les abandonne après leur chargement, les condensateurs se déchargent en quelques millièmes de secondes et les informations sont perdues.

Il est donc nécessaire d'opérer un rafraîchissement des mémoires dynamiques de façon périodique pour conserver les données aussi longtemps que l'alimentation est branchée.

Le rafraîchissement des cellules de mémoire s'effectue habituellement toutes les une ou deux millisecondes, c'est-à-dire 500 ou 1 000 fois par seconde. Il consiste à recharger chaque condensateur individuellement avant qu'il ne soit complètement déchargé. Bien évidemment, les condensateurs qui correspondent à une valeur logique 0 et qui sont déchargés au départ, ne doivent pas être chargés lors des rafraîchissements.

Ce processus nécessite un signal périodique qui peut être fourni soit par un générateur d'horloge, soit par le signal de lecture lui-même à condition qu'il soit répété régulièrement.

Ainsi, dans les mémoires dynamiques, il existe toujours une porte utilisée pour générer les signaux internes de commande nécessaire à la régénération des données.

La figure 32 donne le schéma synoptique d'une mémoire dynamique de 64 bits.

Schema_synoptique_d_une_memoire_dynamique_de_64_bits.gif

Examinons de plus près, à l'aide de la figure 33, le principe de fonctionnement du circuit de rafraîchissement.

Principe_de_lecture_et_d_ecriture_dans_une_RAM_dynamique.gif

Considérons la cellule mémoire sélectionnée par la rangée et la colonne correspondant à l'adresse choisie (en gras figure 33). Les données transitent par la liaison correspondant à la colonne sélectionnée sur laquelle est relié un amplificateur de seuil.

      Lorsqu'il s'agit d'écrire dans la mémoire, les inverseurs Nombre_1.gif, Nombre_2.gif et Nombre_3.gif sont sur la position «a» et la donnée arrive à la cellule mémoire, chargeant le condensateur s'il s'agit d'un 1 logique et le déchargeant si c'est un 0 logique.

     Lorsqu'il s'agit de lire le contenu de la mémoire, les inverseurs Nombre_1.gif, Nombre_2.gif et Nombre_3.gif sont sur la position «b» et la charge du condensateur de la cellule mémoire sélectionnée est appliquée à l'entrée d'un amplificateur de seuil. Suivant le niveau haut ou bas appliqué sur son entrée, cet amplificateur bascule dans un état haut ou bas et délivre ainsi sur la sortie le bit mémorisé.

Aussitôt après cette lecture, l'inverseur Nombre_1.gifrepasse sur la position «a» et l'état haut ou bas de la sortie de l'amplificateur sert à recharger éventuellement (dans le cas de l'état haut) le condensateur de la cellule mémoire.

Lors d'un cycle de rafraîchissement, chaque cellule est ainsi lue et rechargée aussitôt. Pour accélérer le processus, un amplificateur est relié à chaque colonne et toutes les colonnes sont rafraîchies simultanément : l'opération de rafraîchissement d'une mémoire complète consiste donc à lire séquentiellement en une ou deux millisecondes toutes les lignes de la mémoire.

2. 6. - RAPIDITÉ DES MÉMOIRES

Nous avons vu précédemment que les mémoires dynamiques MOS étaient plus rapides que les mémoires statiques réalisées avec la même technologie. Voyons ce que cela signifie concrètement.

Une mémoire est considérée comme plus ou moins rapide selon le temps plus ou moins long nécessaire à la lecture du contenu d'une adresse.

Plus précisément, cette rapidité de la mémoire est fonction du temps d'accès et du temps de cycle de lecture.

Le temps d'accès est le temps qui s'écoule entre l'instant où la mémoire reçoit un ordre de lecture et l'instant où celle-ci fournit en sortie la donnée contenue à l'adresse indiquée.

Les mémoires MOS ont un temps d'accès de l'ordre de 100 à 200 nanosecondes, par contre pour les mémoires bipolaires, ce temps est réduit à quelques dizaines de nanosecondes.

Le temps de cycle de lecture est égal au temps d'accès, plus un certain temps nécessaire à la mémoire pour se préparer à recevoir la demande suivante.

En effet, dans les mémoires dynamiques, lorsqu'une donnée vient d'être lue, elle doit être réécrite aussitôt à la même adresse sous peine d'être perdue.

Cette procédure n'existe pas dans les mémoires statiques qui ne perdent pas le contenu d'une adresse pendant la lecture.

2. 7. - MÉMOIRES PSEUDO - STATIQUES

Malgré les avantages évoqués précédemment (moindre coût, moindre consommation, plus grande capacité mémoire), les mémoires RAM dynamiques ont quand même l'inconvénient de nécessiter des signaux de régénération, ce qui complique le circuit de commande extérieur.

Pour supprimer ce défaut, certains constructeurs ont pensé à incorporer complètement les circuits de rafraîchissement dans le boîtier des mémoires. Ainsi, vues de l'extérieur, ces mémoires sont tout à fait analogues à des mémoires RAM statiques : elles ne comportent plus d'entrée pour le signal d'horloge et ne réclament plus aucune précaution d'emploi concernant la régénération.

Pour cette raison, ces mémoires sont dites pseudo-statiques. Ce type de boîtier a tendance à se répandre de plus en plus, surtout dans les systèmes à microprocesseurs. Bien des mémoires de forte capacité (à partir de 8 kilooctets) baptisées statiques par les constructeurs sont en réalité des mémoires de type pseudo-statique.

HAUT DE PAGE 2. 8. - MÉMOIRES VOLATILES ET NON VOLATILES

Toutes les mémoires électroniques décrites jusqu'à présent sont des mémoires volatiles, c'est-à-dire qu'elles perdent leur contenu dès que l'on débranche l'alimentation.

Lorsque celle-ci est rétablie, les bascules constituant les mémoires statiques se mettent dans un état quelconque et imprévisible alors que les condensateurs des mémoires dynamiques sont souvent déchargés bien que des impulsions parasites puissent parfois les charger de façon aléatoire.

Dans certains cas, on a besoin de conserver les informations contenues dans les mémoires même lorsque la tension d'alimentation disparaît.

Avec les mémoires RAM, la seule solution est d'utiliser une petite batterie tampon qui entre en service lorsque l'alimentation principale est coupée.

Cela est possible avec des mémoires CMOS qui consomment très peu. D'autre part, les progrès réalisés dans la capacité des accumulateurs font que des batteries de petites dimensions sont maintenant en mesure d'alimenter pendant des semaines des mémoires CMOS de 4 kilooctets.

L'emploi de ce type de batterie est assez fréquent dans les appareils portatifs ainsi que dans les systèmes industriels.

En effet, dans ceux-ci, une interruption intempestive de la tension secteur (de quelques millisecondes ou de plusieurs heures, comme il s'en produit de temps en temps lors de pannes) provoquerait sans cela une perte immédiate des données.

Le coût du rechargement des mémoires avant redémarrage du système est tel qu'il est plus rentable d'y adjoindre préventivement une batterie de sauvegarde.

Malgré tout, cette méthode ne résout pas tous les problèmes et dans de nombreux cas, on a besoin de mémoires contenant des informations enregistrées de façon permanente.

Un exemple simple est celui des programmes de commande d'une calculatrice de poche qui sont stockés dans des mémoires permanentes dites non volatiles.

Leur contenu est introduit une fois pour toutes au cours de la fabrication.

Contrairement aux mémoires RAM qui permettraient l'écriture et la lecture d'informations, ces dernières sont donc des mémoires à lecture seule d'où leur nom de ROM (de l'anglais Read Only Memory = Mémoire à lecture seule). Ces mémoires ROM seront examinées au chapitre 3.

2. 9. - COMPARAISON DE DIFFÉRENTES MÉMOIRES RAM


Fig. 34. - Caractéristiques comparées de quelques mémoires RAM.
Type Technologie Mots de Capacité en Kbits Temps d'accès en ns Consommation en mW Remarques
RAM dynamique MOS N MOS 1, 4, 8 bits 16 à 256 100 à 350 30 à 40 Ces mémoires doivent être rafraîchies toutes les 3 ms pour conserver leur contenu
RAM statique MOS N MOS 1, 4, 8 bits 4 à 64 150 à 400 150 à 600 Densité plus faible que les RAM dynamiques. Généralement 2 transistors par cellule
RAM statique CMOS 1, 4, 8 bits 0,256 à 64 100 à 600 20 à 100 Faible consommation. Peut être rendu non volatile grâce à une pile
RAM statique ECL 1, 4, 8 bits 0,256 à 4 10 à 45 400 à 1 000 Temps d'accès faible mais capacité (max. 4 Kbits) et consommation élevée
RAM statique Bipolaire TTL 1 ou 4 bits 64 bits à 4 Kbits 33 à 50 175 à 500 Chaque cellule est une bascule bistable

2. 10. - EXEMPLE DE MÉMOIRE RAM

La figure 35-a montre le brochage d'une mémoire RAM statique de type 4016 de Texas Instruments de 2K mots de 1 octet. La figure 35-b montre son schéma synoptique.

Brochage_d_une_RAM_4016_et_son_schema_synoptique.gif



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