11 Mémoires

Dans une mémoire ROM, les données sont stockées une fois pour toutes. Elles y demeurent même après que la mémoire ait été mise hors tension. Dans le cycle de vie des données, il y a donc une écriture initiale, mais autant de lectures qu’on le souhaite. Il ne peut pas y avoir de réécriture.

Une mémoire ROM est considérée comme un dispositif programmable, dans le sens où le processus d’écriture initial demande une action particulière, une procédure spécifique sur le plan matériel. Nous verrons au chapitre Logique programmable d’autres dispositifs logiques programmables. La programmation d’une ROM se fait en agissant sur des connexions dites fusibles. Initialement, le fusible est comme un fil qui permet au signal de passer. En le programmant, le fusible devient un circuit ouvert qui ne laisse plus passer le signal.

Une mémoire RAM stocke l’information de façon temporaire. En principe, le contenu est conservé tant que la mémoire est maintenue sous tension. Mais la réalité est un peu plus complexe, comme nous le verrons plus loin.

L’opération d’écriture permet de stocker des valeurs et la lecture permet d’extraire l’information de la mémoire.

Une mémoire RAM statique consiste en un ensemble de loquets qui permettent de conserver des données binaires. L’information est maintenue tant que la mémoire est alimentée.

Les mémoires RAM dynamiques stockent l’information sous la forme d’une charge capacitive au sein des transistors du circuit intégré. Comme cette charge se disperse au fil du temps, la mémoire doit être rafraîchie régulièrement, en y récrivant périodiquement à très court intervalle (millisecondes) la même valeur qui est déjà stockée.

Les mémoires dynamiques consomment beaucoup moins que les mémoires statiques et offrent des capacités de stockage largement supérieures, car une cellule de mémoire comporte beaucoup moins d’éléments (essentiellement un transistor par cellule). En contrepartie, les temps d’accès aux mémoires statiques sont nettement meilleurs et on n’a pas à se préoccuper de rafraîchissement.

L’opération choisie, écriture ou lecture, est commandée par une ou des entrées à cet effet. L’accès à un espace mémoire (un mot) se fait selon une séquence bien précise. Pour une écriture :

1. Les bits d’adresse du mot sont appliqués aux lignes d’adresses
2. Les données à écrire sont appliquées aux lignes d’entrée
3. On active l’entrée de commande Écriture

Les données de l’entrée sont alors stockées dans la case mémoire adressée.

Pour une lecture :

1. Les bits d’adresse du mot sont appliqués aux lignes d’adresses
2. On active l’entrée de commande Lecture

Les données présentes dans la case mémoire adressée sont ensuite disponibles à la sortie de la mémoire.

Les mémoires offertes sur le marché optent souvent pour une combinaison des signaux de contrôle, avec un seul signal qui détermine le sens de l’action, comme montré dans le tableau 1. Le signal Enable, parfois appelé Chip select, permet d’activer une mémoire dans un ensemble où plusieurs mémoires sont utilisées.

Pour acheminer les données lues ou à écrire dans la mémoire, on utilise des tampons émetteurs-récepteurs de bus (voir section Portes à trois états et tampon de bus), organisés en vecteur, pour créer un bus de données qui permet un aller-retour des données, selon le sens de l’action. Cela permet de diminuer de moitié le nombre de connexions nécessaires pour l’échange des données. Un signal dérivé des signaux Lecture/écriture et Chip select (CS) est typiquement utilisé pour commander l’entrée de contrôle (voir figure 2).

La figure 3 présente un chronogramme qui décrit l’opération d’écriture dans une mémoire RAM. Les valeurs d’adresse sont d’abord présentées aux entrées d’adressage. Le signal L/not E est amené au niveau bas, en même temps que le signal CS est activé (au niveau bas). Après un court délai, les données sont mises sur le bus de données et seront écrites dans la mémoire. On peut voir que les lignes du bus de données sont en mode haute impédance lorsque le bus est inactif (situation représentée symboliquement sur l’illustration par un signal situé entre les niveaux 0 et 1).

La figure 4 présente un chronogramme qui décrit l’opération de lecture d’une mémoire RAM. Les valeurs d’adresses sont d’abord présentée aux entrées d’adressage. Le signal L/not E est maintenu au niveau élevé en même temps que le signal CS est activé (au niveau bas). Après un court délai, les données sont disponibles sur le bus de données.

La cellule de base d’une mémoire RAM qui permet de stocker un bit est illustrée à la figure 5. Elle est construite autour d’un loquet SR et de portes logiques pour le contrôle. Une mémoire complète de mots de taille bits sera constituée d’une matrice de format de telles cellules, avec un décodeur d’adresse pour sélectionner quel mot sera affecté par l’opération choisie.

Comme on l’a vu dans la section Décodeur, un décodeur permet de générer les minterms possibles avec ses entrées. Regrouper avec une porte OU les minterms d’une fonction permet d’implémenter cette fonction. Une mémoire ROM permet de faire exactement cela sans avoir rien à ajouter, car elle est munie d’un décodeur d’entrée et la porte OU de sortie fait déjà partie de la ROM. On peut donc interpréter le fonctionnement d’une mémoire ROM de bits d’adresse et avec des mots de taille comme un dispositif qui permet, pour les entrées qui sont ses adresses, de mettre en oeuvre fonctions combinatoires différentes (une par bit de mot) de entrées.

Par exemple, la sortie de la mémoire de la figure 6 implémente la fonction

exprimée en somme de minterms.

Cette approche qui consiste à réaliser une fonction logique combinatoire au moyen d’une mémoire qui spécifie, pour chaque combinaison d’entrée possible, une valeur de sortie, est largement utilisée dans les composants programmables. On parle alors de tableau de correspondance (en anglais, LookUp Table (LUT)). Il s’agit ni plus ni moins que de stocker en mémoire le tableau de vérité de la fonction à réaliser. Dans les composants programmables, on utilise plutôt des mémoires RAM pour les tableaux de correspondance, afin que la configuration des fonctions puisse être changée selon l’application.

On distingue quatre grandes approches technologiques pour réaliser des mémoires mortes. Leurs usages typiques sont surtout déterminés par la façon de les configurer (on dit couramment programmer, même s’il s’agit d’une intervention sur le plan matériel).

Dans la programmation par masque, la mémoire est programmée lors de la fabrication de la puce. Le fabricant se base sur un tableau de vérité fourni par le client pour établir des connexions qui seront implémentées (ou pas) dans le procédé de fabrication via des masques qui empêchent le dépôt de matériau conducteur sur les couches du circuit intégré. Cette approche convient à la production de masse à grand volume.

Dans la programmation sur mesure, on utilise un type de mémoire qui comporte initialement des connexions entre toutes les sorties du décodeur et toutes les entrées des portes OU de sortie (la mémoire en configuration initiale comporte des 1 partout). La programmation, qui peut se faire chez le développeur au moyen d’un dispositif de programmation (ou programmeur) spécialement conçu à cette fin, consiste à supprimer les connexions qui ne sont pas nécessaires en envoyant des impulsions à forte tension pour faire fondre les fusibles de connexions spécifiques. Un fusible fondu (pas de connexion) correspond à un bit 0 dans la mémoire. Cette programmation est bien entendu irréversible : impossible de rétablir la connexion une fois que le fusible est fondu.

Avec une PROM (pour Programmable ROM), il est possible d’effacer la configuration dans son ensemble en soumettant la puce à une lumière ultraviolette pendant un certain temps. Ce bombardement énergétique permet de décharger les grilles flottantes des dispositifs qui implémentent les connexions. La mémoire PROM peut être configurée de nouveau.

Avec la programmation électrique, il est possible de reconfigurer l’ensemble d’une mémoire dite EEPROM (Electrically Erasable PROM) en la soumettant à un signal électrique d’effacement.

Les ROM à programmation flash sont semblables aux EEPROM, mais la reconfiguration peut se faire adresse par adresse. Il est notamment possible de reconfigurer une mémoire sans la retirer de son circuit. Fonctionnellement, ces mémoires sont à mi-chemin entre la mémoire RAM et la mémoire sur disque. Les mémoires flash tendent d’ailleurs de plus en plus à remplacer ce dernier type dans les systèmes portables : téléphones, ordinateurs portables, etc.