Fonctionnement d'un ordinateur/Les mémoires SRAM synchrones

Les toutes premières mémoires SRAM étaient des mémoires asynchrones, non-cadencées par 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.

Fabriquer une mémoire synchrone demande de rajouter des registres sur les entrées/sorties d'une mémoire asynchrone. 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. Aussi, nous allons procéder par étapes, en ajoutant des registres d'abord pour mémoriser l'adresse, puis les données à écrire, puis sur toutes les entrées-sorties. Ces trois cas correspondent à des mémoires qui existent vraiment, les trois modèles ont été commercialisé et utilisés.

Pour simplifier les explications, nous allons prendre le cas d'une mémoire avec un port de lecture séparé du port d'écriture. On peut alors ajouter des registres sur le bus d'adresse/commande, sur le port de lecture et sur le port d'écriture. Il est possible de faire la même chose sur une mémoire avec un port unique de lecture/écriture, mais laissons cela de côté pour le moment.

Les SRAM synchrones à tampon d'adresse

Le premier type de SRAM synchrone que nous allons étudier est celui des SRAM synchrones à tampon d’adresse. Leur nom est assez clair et dit bien comment ces SRAM sont rendues synchrones. L'adresse et les signaux de commande sont mémorisés dans des registres, mais pas les données. Elle partent d'un modèle asynchrone, sur lequel on ajoute des registres pour les entrées d'adresse et de commande, mais pas pour les ports de lecture/écriture, pas pour le bus de données.

Mémoire synchrone première génération.

Grâce à l'ajout du registre d'adresse, le processeur n'a pas à maintenir l'adresse en entrée de la SRAM durant toute la durée d'un accès mémoire : le registre s'en charge. Le diagramme suivant montre ce qu'il se passe pendant une lecture, avec l'ajout d'un registre sur l'adresse uniquement. On voit que sur la SRAM asynchrone, l'adresse doit être maintenue durant toute la durée du cycle d'horloge mémoire, c'est à dire durant une dizaine de cycles d'horloge du processeur. Mais sur la SRAM synchrone, l'adresse est envoyée en début du cycle seulement, l'adresse est écrite dans le registre lors d'un cycle processeur, puis maintenue par le registre pour les autres cycles processeur.

Différence entre mémoire asynchrone et synchrone avec mémorisation d'adresse uniquement.

L'écriture se passe comme sur les SRAM asynchrones, si ce n'est que l'adresse n'a pas à être maintenue. La donnée à écrire doit être maintenue pendant toute la durée de l'écriture, même si elle dure plusieurs cycles d'horloge processeur. Le processeur envoie la donnée à écrire en même temps que l'adresse, mais peut se déconnecter du bus d'adresse précocement. Les SRAM de ce style ont des lectures rapides, mais des écritures plus lentes.

Différence entre mémoire asynchrone et mémoire synchrone sans mémorisation des écritures

Avec cette organisation, les lectures et écritures ont le même nombre de cycles. La présentation de l'adresse se fait au premier cycle, la lecture/écriture proprement dite est effectuée au cycle suivant. Pour une lecture, on a le premier cycle pour la présentation de l'adresse, et le second cycle où la donnée est disponible sur le bus de données. Pour l'écriture, c'est pareil, sauf que la donnée à écrire peut être présentée dès le premier cycle, mais elle n'est terminée qu'à la fin du second cycle. De telles mémoires synchrones sont de loin les plus simples. Les toutes premières SRAM synchrones étaient de ce type, la première d'entre elle étant la HM-6508.

Les SRAM synchrones à tapon d'écriture

Les SRAM synchrones à tampon d'écriture reprennent la structure précédente, et y ajoutent d'un registre sur le port d'écriture. Pour les SRAM avec un seul port, le registre sert de tampon pour les données à écrire, mais il est contourné pour les lectures, qui ne passent pas par ce registre. Un exemple de SRAM de ce type est la HM-6504, qui disposait d'un port de lecture séparé du port d'écriture. Un autre exemple est celui de la HM-6561, qui elle n'a qu'un seul port utilisé à la fois pour la lecture et l'écriture, mais qui dispose bien d'un registre utilisé uniquement pour les écritures. Lors des lectures, ce registre est contourné et n'est pas utilisé.

Mémoire à flot direct.

Les écritures anticipées

L'ajout d'un registre pour les écritures permet de faire la même chose que pour les adresses, mais pour les données à écrire. La donnée à écrire est envoyée en même temps que l'adresse et le processeur n'a plus rien à faire au cycle suivant. On dit que l'on réalise une écriture anticipée. Les lectures comme les écritures sont plus rapides que sur les SRAM à tampon d'adresse, du moins en apparence.

Différence entre mémoire asynchrone et synchrone avec mémorisation des écritures

Du point de vue du processeur, les écritures ne prennent plus qu'un seul cycle : celui où on présente l'adresse et la donnée à écrire. Mais en réalité, la durée d'une écriture n'a pas changée, c'est juste que la SRAM effectue l'écriture au second cycle, comme dans les SRAM précédentes. Simplement, la SRAM effectue l'écriture elle-même, sans que le processeur ait besoin de maintenir la donnée à écrire sur le bus de données. Pour le processeur, les écritures prennent un cycle et les lectures deux, alors que la SRAM considère que les deux se font en deux cycles. Et cela a des conséquences.

Les écritures tardives

Les écritures anticipées ne posent pas de problèmes quand on effectue des écritures consécutives, mais elle pose problème quand on enchaine les lectures et écritures. Pour comprendre pourquoi, prenons le cas simple où une lecture est suivie d'une écriture, séparées par un seul cycle d'horloge. Au premier cycle d'horloge, le processeur présente l'adresse à lire à la SRAM. Au second cycle, la donnée lue sera disponible, mais le processeur va aussi présenter l'adresse et la donnée à écrire. Autant cela ne pose pas de problème si la SRAM a un port de lecture séparé de celui d'écriture, autant lire une donnée et écrire la suivante en même temps n'est pas possible avec un seul bus de données.

Pour éviter cela, on peut utiliser des écritures tardives, où la donnée à écrire est présentée un cycle d'horloge après la présentation de l'adresse d'écriture. L'intérêt des écritures tardives est qu'elles garantissent que l'écriture se fasse en deux cycles, tout comme les lectures. Ce faisant, dans une succession de lectures/écritures, il n'y a pas de différences de durée entre lectures et écritures, donc les problèmes disparaissent.

Écriture tardive.

Évidemment, il y a des situations où il est possible d'effectuer des écritures anticipées sans problèmes, notamment quand la SRAM a des cycles inutilisées. Les SRAM synchrones gèrent à la fois les écritures anticipées et les écritures tardives, sauf pour quelques exceptions. Quelques bits de commande permettent de choisir s'il faut faire une écriture tardive ou anticipée, ce qui permet au processeur et/ou au contrôleur de mémoire externe de faire le choix le plus adéquat. Le choix se fait suivant les accès mémoire à réaliser, suivant qu'il y ait ou non alternance entre lectures et écritures, et bien d'autres paramètres.

Les SRAM synchrones pipelinées

Les SRAM précédentes, à tampon d'adresse et à tampon d'écriture, sont regroupées dans la catégorie des SRAM à flot direct, pour lesquelles la donnée lue ne subit pas de mémorisation dans un registre de sortie. L'avantage est que les lectures sont plus rapides, elles ne prennent qu'un seul cycle. On écrit l'adresse à lire lors d'un cycle, la donnée est disponible au cycle suivant.

Elles sont opposées aux SRAM synchrones pipelinées, qui ont un registre tampon pour les lectures, pour les données lues depuis la RAM. Avec elles, la donnée sortante est mémorisée dans un registre commandé par un front d'horloge, afin d'augmenter la fréquence de la SRAM et son débit.

Mémoire synchrone registre à registre.

Avec une SRAM à pipeline, il faut ajouter un cycle supplémentaire pour lire la donnée. Sur une SRAM à flot direct (non-pipelinée), l'adresse de lecture est envoyée lors du premier cycle, la donnée lue est présentée au cycle suivant. Avec un registre sur le port de lecture, le processeur écrit l'adresse dans le registre lors du premier cycle, la mémoire récupère la donnée lue et l'enregistre dans le registre de sortie lors du second cycle, la donnée est disponible pour le processeur lors du troisième cycle. Au final, la donnée lue est disponible deux cycles après la présentation de l'adresse.

Mais quel est l'avantage des SRAM à pipeline, dans ce cas ? Et bien il vient du fait qu'elles peuvent fonctionner à une fréquence supérieure et effectuer plusieurs accès mémoire en même temps.

Le pipeline de base à trois étages

Pour comprendre pourquoi les SRAM à pipeline fonctionnent à une fréquence plus élevée, il faut étudier comment s'effectue une lecture.

Sur une SRAM à flot direct, on doit attendre que l'accès mémoire précédent soit terminé avant d'en lancer un autre. Si on effectue plusieurs lectures successives, voici ce que cela donne :

Accès mémoires sans pipeline.

Sur une SRAM à pipeline, l'accès en lecture se fait en trois étapes : on envoie l'adresse lors d'un premier cycle, effectue la lecture durant le cycle suivant, et récupère la donnée sur le bus un cycle plus tard. Les trois étapes sont complétement séparées, temporellement et surtout : physiquement. La première implique les registres et bus d'adresse et de commande, la seconde la SRAM asynchrone, la troisième le registre de sortie et le bus de données.

La conséquence est qu'on peut lancer une nouvelle lecture à chaque cycle d'horloge. Et ce n'est pas incompatible avec le fait qu'une lecture prenne 3 cycles d'horloge. Les différentes lectures successives seront à des étapes différentes et s’exécuteront en même temps. Pendant que l'on lit le registre de sortie pour la première lecture, la seconde lecture accède à la SRAM asynchrone, et la troisième lecture prépare l'adresse à écrire dans le registre d'adresse/commande. Le résultat est que l'on peut effectuer plusieurs lectures en même temps. On lance un nouvel accès mémoire à chaque cycle d'horloge, même si une lecture prend trois cycles. Le résultat est que l'on peut effectuer trois lectures en même temps, comme montré dans le schéma plus haut.

Accès mémoires avec pipeline.

Un point sur lequel il faut insister est qu'avec un pipeline, une lecture prend globalement le même temps en secondes, comparé à une SRAM à flot direct. Il y a une petite différence liée au fait que les registres ont un temps de propagation non-nul, mais laissons cela de côté pour le moment. Si la lecture prend trois cycles, ce n'est pas parce que les lectures deviennent sensiblement plus lentes, mais parce que la fréquence augmente. Au lieu d'avoir un cycle horloge long, capable de couvrir une lecture complète, un cycle d'horloge avec pipeline correspond à une seule étape de la lecture, environ un tiers. Les SRAM à pipeline fonctionnent à plus haute fréquence, ce qui donne un débit binaire plus élevé, pour des temps d'accès identiques.

Notons que ce pipeline ne vaut que pour les lectures. Les écritures sont dans un cas un peu différent, avec une différence entre les écritures anticipées et tardives. les écritures anticipées sont toujours possibles et une succession d'écriture n'a pas d'organisation en pipeline nette. La données à écrire et l'adresse sont envoyées en même temps, à raison d’une par cycle. Mais l'écriture effective a lieu au cycle suivant. En clair, une écriture se fait en deux étapes, pas trois ! Il y a bien un pipeline, mais il est plus court : deux étapes au lieu de deux, ce qui fait que l'on ne peut faire que deux écritures simultanées. Pendant que l'une écrit dans les registres, l'autre effectue l'écriture dans la SRAM asynchrone. Et ce pose évidemment quelques problèmes, comme on va le voir dans la section suivante.

Notons que le principe a des conséquences assez similaires à celles de l'entrelacement. On peut effectuer plusieurs accès en parallèle, la fréquence augmente, le débit binaire est améliorée, mais les temps d'accès restent les mêmes. Les deux techniques peuvent d'ailleurs se combiner, bien que ce soit assez rare.

Les conflits d'accès liés au pipeline

Plus haut, pour les SRAM sans pipeline, nous avions vu qu'il est possible qu'il y ait des conflits d'accès où une donnée lue est envoyée sur le bus en même temps qu'une donnée à écrire. Ces conflits, qui ont lieu lors d'alternances entre lectures et écritures, sont appelés des retournements de bus. La solution pour les SRAM sans pipeline était de retarder la présentation de la donnée à écrire, ce qui donne des écritures tardives.

Sur les SRAM à pipeline, un problème similaire à lieu. Il est causé par le fait que les écritures prennent entre un et deux cycles et les lectures trois. Et cela se marie mal avec l'organisation en pipeline qui permet des accès mémoires simultanés. Par exemple, imaginons qu'une écriture ait lieu deux cycles après une lecture. Dans ce cas, la lecture utilise le bus de données à son troisième cycle, l'écriture utilise le bus de données à son premier cycle, le décalage de deux cycles entre les deux fait qu'il y a conflit : l’écriture et la lecture veulent utiliser le bus en même temps. Le même problème peut survenir quand on utilise des écritures tardives, même si les timings ne sont pas les mêmes.

Cas de conflit entre lecture et écriture sur une SRAM pipélinée

Une solution est d'utiliser un port de lecture séparé du port d'écriture. Les conflits d'alternance entre lectures et écritures disparaissent. La seule exception est le cas où une lecture tente de lire une donnée en même temps qu'elle est écrite. La solution est de lire la donnée directement depuis le registre d'écriture. Pour cela, il faut ajouter un comparateur qui vérifie si les deux adresses consécutives sont identiques, et qui commande le bus de données pour le connecter au registre d'écriture.

Sur les mémoires simple port, il existe plusieurs solutions pour gérer ce cas. La plus simple consiste à retarder l'écriture d'un cycle en cas de conflit potentiel. Le contrôleur mémoire externe à la SRAM doit détecter de potentiels conflits et retarder les écritures problématiques d'un cycle quand c'est nécessaire. Une autre solution utilise les écritures tardives, à savoir des écritures où la donnée à écrire est envoyée un cycle après l'adresse. Mais il faut adapter le retard pour le faire correspondre au temps des lectures. Vu que la lecture prend trois cycles sur une SRAM à pipeline, il faut retarder l'écriture de deux cycles d'horloge, et non d'un seul. Cette technique s'appelle l'écriture doublement tardive.

Les écritures doublement tardives posent le même problème que les écritures tardives. Il se peut qu'une lecture accède à une adresse écrite au cycle précédent ou dans les deux cycles précédents. La lecture lira alors une donnée pas encore mise à jour par l'écriture. Pour éviter cela, il faut soit mettre en attente la lecture, soit renvoyer le contenu du registre d'écriture sur le bus de donnée au bon timing. Dans les deux cas, il faut ajouter deux comparateurs : un qui compare l'adresse à lire avec l'adresse précédente, et un qui compare avec l'adresse d'il y a deux cycles.

Les SRAM synchrones registre-à-verrou

Avec les mémoires registre à verrou, il y a un registre pour la donnée lue, mais ce registre est un registre commandé par un signal Enable et non par un front d'horloge. Le registre commandé par un signal Enable est en quelque sorte transparent. L'usage d'un registre de ce type fait qu'on peut maintenir la donnée lue durant plusieurs cycles sur le bus mémoire. De plus, on n’a pas à rajouter un cycle d'horloge pour chaque lecture, mais cela fait qu'on se prive de l'avantage des mémoires pipelinées.

Mémoire synchrone registre à verrou