Fonctionnement d'un ordinateur/Les mémoires historiques

Au tout début de l'informatique, les mémoires étaient totalement différentes d'aujourd'hui. Il n'y avait pas de mémoire ROM, de mémoire RAM, ou quoique ce soit d'autres. Les premières mémoires n'étaient pas électroniques, la technologie n'étant pas assez avancée pour cela. On parle d'un temps où les transistors n'existaient pas et où l'informatique était en pleine gestation. Pourtant, les mémoires existaient déjà.

L'électronique analogique avait déjà des supports de stockage : les lecteurs audio utilisaient des cassettes audio à bande magnétiques, les lecteurs vidéo utilisaient des cassettes VHS elles aussi basées sur des bandes magnétiques, et j'en passe. Une partie de ces supports de stockage ont été réutilisés, puis adaptés pour les ordinateurs de l'époque. En conséquence, les premières mémoires informatiques étaient des mémoires magnétiques, bien plus rudimentaires que les disques durs et les disquettes : mémoires à tores de ferrite, bandes magnétiques, et bien d'autres (cassettes audio, notamment). D'autres mémoires historiques étaient des mémoires mécaniques, qui stockaient leurs informations sous la forme de trous dans une carte en plastique, d'ondes sonores, etc.

Ces mémoires, aujourd'hui totalement obsolètes, ont pourtant eu leur heure de gloire, certaines étant plus utilisées que les mémoires magnétiques ou électroniques de leur époque. Ce chapitre se propose de rendre hommage à ces mémoires historiques. Toutes les mémoires que nous allons aborder sont aujourd'hui obsolètes et la plupart ne sont même plus produites du tout. On peut encore en trouver dans des musées, mais leur utilisation réelle est réduite à peau de chagrin.

Les cartes et rubans perforés

Les toutes premières mémoires informatiques étaient des mémoires mécaniques. Les mémoires mécaniques les plus connues étaient basées sur du papier : je veux parler des cartes et rubans perforés. Il s'agit de cartes ou de rubans de papier, parfois de carton ou de plastiques. Les données sont stockées sous la forme de trous dans le ruban ou la carte : un trou code un 1, tandis que l'absence d'un trou code un 0.

Carte perforée.

Les bandes magnétiques

Ordinateur Digital PDP-8, avec ses bandes magnétiques visibles.

De vieux ordinateurs utilisaient des cassettes à bande magnétique, les mêmes qui étaient utilisées comme cassettes audio il y a de cela quelques décennies. C'était le cas de vieux ordinateurs personnels, comme les Amstrad CPC, les ZX Spectrum, ou les ordinateurs Commodore.

Ordinateur personnel Amstrad CPC 464.

D'autres ordinateurs de la même époque utilisaient des supports de stockage similaires aux cassettes audio, mais sans le plastique extérieur. Des bandes magnétiques étaient enroulées dans un cylindre plastique, et étaient déroulées par un système de déroulement.

Les tambours magnétiques

ERA Magnetic Drum, US, c. 1951 - Computer History Museum - Mountain View, California

Les tambours magnétiques sont les ancêtres du disque durs, les deux ayant un fonctionnement assez similaire. La différence principale est que les plateaux sont remplacés par un tube cylindrique, dont la surface est couverte d'un matériau magnétique. L'organisation en pistes est toujours présente, chaque piste étant une ligne horizontale sur le tube central. Par contre, il n'y a pas de tête de lecture/écriture qui se déplace de piste en piste. Les têtes de lecture/écriture sont immobiles, mais il y en a une par piste pour compenser. Le temps de latence d'un tel disque dépend donc uniquement de la vitesse de rotation et de la densité surfacique.

Fait surprenant, ces mémoires étaient utilisées surtout comme mémoire primaire, c'est à dire qu'elles avaient la même fonction que la mémoire RAM des PC actuels, malgré leur caractère non-volatile ! Elles étaient aussi utilisées comme mémoire de masse, mais c'était une utilisation moins fréquente. Les tambours magnétiques avaient cependant une méthode d'adressage différente selon qu'ils étaient utilisées comme mémoire de masse ou primaire. Les tambours utilisées comme mémoire primaire avaient une adresse par mot mémoire, alors que celles utilisées comme mémoire de masse avaient une adresse par secteur ou par piste. La méthode d'adressage variait suivant le tambour.

• Sur certains tambours, chaque piste avait sa propre adresse mémoire. Les pistes étaient de taille variable suivant la marque du tambour magnétique utilisé, mais chacune avait sa propre adresse.
• Sur d'autres, chaque piste était découpée en secteurs de taille fixe, comme sur les disques durs, et chaque secteur était adressé en précisant le numéro de piste et un numéro de secteur (similaire à l'adressage CHS des disques durs, en enlevant les plateaux).
• Sur d'autres, les secteurs avaient une taille variable, l'adressage se faisait en indiquant le numéro de la piste et la position du secteur dans la piste.
• D'autres mémoires utilisaient des systèmes d'adressages différents.

Les mémoires à tore de ferrite

Les premières mémoires de masse sont sans conteste les mémoires à tores de ferrites. Ce sont des mémoires magnétiques, un peu comme les disques durs, même si les différences sont nombreuses. Elles sont donc naturellement non-volatiles. Elles sont formées d'une matrice de tores fabriqués dans un matériau magnétique (ferromagnétique pour être précis), le plus souvent de la ferrite. Ces tores peuvent être magnétisés dans deux sens différents, ce qui leur permet de coder un bit.

Mémoire à tores de ferrite réelle (avec les fils).

Le fonctionnement d'une mémoire à tore de ferrite

L'ensemble formait une sorte de tableau où chaque tore a deux positions : une position X et une autre position Y. Deux fils servent pour l'adressage : le fil Y traverse tous les tores d'une ligne, alors que le fil X traverse tous les tores placés sur la même colonne. Quand une tension est envoyée sur un fil Y et un fil X, le tore à l'intersection des deux fils est activé : il peut alors être lu ou écrit. Plus précisément, chaque fil est parcouru par une tension légèrement supérieure à la moitié de la tension nécessaire pour aimanter le tore : ainsi, la somme des deux tensions est supérieure à la tension d'aimantation, mais seulement à l'intersection des deux fils, sur le tore à aimanter. Selon la tension envoyée (plus précisément, son signe), le tore sera mis à 0 ou à 1.

Schéma de la matrice de tores (avec les fils).

Pour lire ou écrire un bit dans un tore (en changer l'aimantation), il faut que celui-ci soit soumis à un champ magnétique supérieur à une valeur déterminée. pour cela, chaque tore est parcouru par quatre fils : le fil X et Y servent pour l'adressage, comme dit plus haut, un fil S (Sense) pour les lectures, et un fil Z pour les écritures. En faisant passer un courant ou une tension dans ces fils, un champ magnétique se forme autour d'eux, ce qui agit sur les tores de ferrites ce qui permet de les aimanter (écriture) ou de lire leur contenu.

Un tore de ferrite.

La lecture s'effectue via le fil nommé Sense. Toute lecture est destructrice : le bit stocké dans le tore est effacé après chaque lecture. En effet, chaque lecture commence par mettre à zéro le bit à lire. Cette mise à zéro va ou non, faire changer le champ magnétique dans le fil Sense, entrainant l'apparition d'un courant et d'une tension. Suite à cette mise à zéro, la mémoire regarde ce qui se passe sur ce fil. Si le bit était déjà à zéro avant la lecture, aucun champ magnétique ne sera créé : il ne se passe rien sur le fil Sense. Mais si ce bit était à 1, le tore va changer de polarité, entrainant l'apparition d'une tension sur ce fil, durant un temps très bref (le temps de changement de polarité du tore). La lecture s'effectue donc via le fil Sense, suivant ce qui s'y passe lors d'une mise à zéro d'un bit.

L'écriture s'effectue d'une manière différente, quoique similaire, en utilisant le fil Z. Lors d'une écriture d'un tore, les fils X et Y qui correspondent sont alimentés en tension, de telle manière qu'un 1 soit écrit dans le tore. Pour écrire un 1, cela suffit largement. Mais pour écrire un zéro, il faut que quelque chose annule cette écriture, en compensant le champ magnétique créé par ces deux fils. Pour cela, on fait passer un courant dans le fil Inhibit, afin de créer un champ magnétique contraire dans le tore. Cela annule l'écriture du 1 en inhibant le champ crée par les fils X et Y. La plupart des mémoires de ce type utilisaient deux fils Sense et Inhibit séparés. Mais vu que le fil Inhibit et Sense ne sont jamais utilisés en même temps, certaines mémoires à tore ont fusionné ces deux fils en un seul.

Une mémoire très fiable

Les mémoires à tore de ferrite sont des mémoires non-volatiles très fiables. Elles ne s'effacent pas dans le temps et peuvent supporter des conditions très dures sans perdre de données. Par exemple, elles peuvent résister à des radiations extrêmes , voire à une EMP, sans perdre de données. C'est pour cette raison qu'elles ont beaucoup été utilisées dans des applications aérospatiales, dans l'industrie, voire dans les applications militaires. Elles étaient encore utilisées dans ces applications bien après l'apparition des premières mémoires à semi-conducteurs.

Par contre, ces mémoires étaient très sensibles à la température. Les tensions à envoyer aux tores devaient avoir une valeur bien précise, qui dépend énormément de la température ambiante. Sur les premières mémoires à tore de ferrite, les circuits de contrôle de la mémoire contenaient un senseur de température et ajustaient les tensions appliquées en fonction des mesures. Une autre solution consistait à placer la mémoire dans une petite boite dont la température était maintenue stable. Généralement, la boite était chauffée au-dessus de la température ambiante, car maintenir une température constante est facile quand celle-ci est plus élevée que la normale. Chauffer une petite chambre est plus simple que de la refroidir, surtout pour une petite boite. Autant une simple résistance permet de chauffer la boite, autant utiliser un réfrigérateur pour une mémoire de ce type était clairement une mauvaise solution.

Le défaut principal de ces mémoires est que leur processus de fabrication est difficile à industrialiser. La fabrication de ces mémoires s'est surtout fait de main d'homme, sans machines ou du moins avec peu d'outils. Le fait que ces mémoires ne puisse pas facilement être fabriquées par des machines fait que ces mémoires sont difficiles à miniaturiser : la miniaturisation ne va pas aussi loin que pour les mémoires à semi-conducteurs et on peut tout au plus stocker quelques centaines de bits sur une puce, voire quelques milliers. La capacité de telles mémoire est généralement assez faible. Par contre, leurs performances étaient assez honorables. On estime que les premières mémoires de ce type avaient un temps d'accès mémoire d'environ 6 µs, ce qui fait une fréquence d'environ 166.7 kilohertz. Le temps d'accès est ensuite descendu à 0.6 µs durant les années 70, ce qui faisait une fréquence proche du mégahertz.

Mémoire à tore Ferrite miniaturisée. La puce fait 10 centimètres de coté et contient 64 mots de 64 bits, soit 4 kikioctets.

Les mémoires à ligne de délai

Les mémoires à ligne de délai sont des mémoires volatiles mécaniques, basées sur des ondes sonores ! Celles-ci ont été inventées suite à des technologies liées aux radars, dans les laboratoires militaires. Ces mémoires sont des mémoires séquentielles, qui ont une capacité extrêmement faible (quelques centaines de bits). Il en existe diverses versions, la première étant basée sur des tubes de mercure, les suivantes étant basées sur des tubes de cuivre ou d'autre matériaux magnétiques.

L'intérieur d'une mémoire à ligne de délai

Ces mémoires sont basées sur un tube de matière, dans lequel se propage une onde sonore : celui-ci sert de support de mémorisation. Un bit est codé par l'absence ou la présence d'une onde sonore dans le tube de matière. Au bout de ce tube, on trouve un microphone et un haut-parleur. Le haut-parleur génère une onde sonore d'un côté du tube, onde qui est reçue de l'autre côté du tube par le microphone. De plus, le haut-parleur et le microphone sont reliés entre eux : le signal capté sur le microphone est envoyé sur le haut-parleur d'entrée. Ce faisant, l'onde sonore circule en boucle dans le circuit : elle est rafraichie sans cesse, à chaque passage.

Mémoire à ligne de délai.

Divers circuits sont présents entre le microphone et le haut-parleur. On trouve notamment des amplificateurs, histoire que les ondes sonores captées ne s'amenuisent pas à force de reparcourir le tube.

Mémoire à tube de mercure.

La capacité des mémoires à ligne de délai

Il existe naturellement un petit délai de transmission entre le microphone et le haut-parleur, ainsi qu'un autre délai de propagation dans le tube. Ces délais limitent la capacité de la mémoire, qui dépend du nombre d'ondes sonores qui peuvent parcourir le tube. Chaque bit est codée exactement par une impulsion sonore, qui a une forme et une durée très précise, qui dépend de la qualité du circuit (microphone, haut-parleur, et autres) : notons ce temps $\mathrm {T}$. La capacité totale est, par définition, égale au nombre d'impulsions qui se trouvent en même temps dans le tube de matière (les unes à la suite des autres). Pour la calculer, on peut diviser le temps que met une impulsion à se propager dans le tube, par la durée d'une impulsion.

Les différents types de mémoires à lignes de délai

Les premières mémoires de ce type étaient fabriquées avec des tubes de mercure : ce sont des lignes à délai de mercure.

SEAC Computer, avec une mémoire à ligne de Mercure.

Mais les inconvénients du mercure (toxicité, notamment) ont mené au remplacement du mercure par des tubes de matériaux conducteurs (des fils électriques, dit autrement) : ce sont des lignes de délai à torsion de fil.

Exemple de ligne de délai à torsion de fil.

Les tubes Williams et Selectron

Les tubes Williams et Selectron sont basés sur un écran CRT modifié. Il s'agissait de mémoires de type mémoires vives volatiles qui devaient être rafraichies régulièrement. En clair, ce sont l'ancêtre des mémoires DRAM ! Les tubes Williams étaient utilisés sur les tout premiers ordinateurs, au tout début de l'histoire de l'informatique, dans les années 50, à une époque où les ordinateurs étaient des monstres qui occupaient une pièce entière et étaient plus proches de petites usines à calcul qu'autre chose. Une technologie alternative basée sur un principe simialire est le Tube Selectron. D'une capacité de 256 bits, il n'a été utilisé que sur un seul ordinateur : le JOHNNIAC de la RAND Corporation. Ils ont tous deux était rapidement remplacé par les mémoires à ligne de délai, plus simples et moins chères.

Williams-tube

Les écrans CRT (Cathode Ray Tube)

Tubes Williams et Selectron se basent sur la même technologie : celle des écrans CRT. Un écran CRT est composé de plusieurs composants, qui marchent de concert : un canon à électron, des bobines de contrôle et la surface de l'écran proprement dite. Le canon à électron émet un faisceau d'électron concentré, qui touche la surface de l'écran. Cette dernière, du moins derrière la vitre transparente, est d'une composition chimique particulière et est notamment riche en phosphore. Elle est souvent appelée surface phosphorescente. Quand elle est touchée par le faisceau d’électron, le phosphore s'illumine pendant quelques millisecondes. Les bobines visent à détourner le faisceau d'électron de manière à ce qu'il balaye tout l'écran de gauche à droite et de haut en bas.

Cathode ray tube.

La surface de l'écran est découpée en pixels, et l'intensité du canon varie pour chaque pixel lorsque le faisceau passe sur ce pixelde l'écran. En commandant l'intensité du canon d'électron, on arrive à afficher des images en noir et blanc ainsi. Un canon intense pendant x millisecondes donnera un point blanc sur l'écran, là où tombe de faisceau. un canon éteint donnera un point noir à l'écran. Il est possible de gérer la couleurs avec des écrans CRT plus complexes, mais ce n'est pas le sujet et nous n'en avons pas besoin pour les explications qui vont suivre.

La physique de la surface phosphorescente : émission secondaire et puits de potentiels

Un point important est que la physique de la surface phosphorescente n'est pas intuitive et peu donner lieu à des phénomènes assez importants pour ce qui va suivre. Deux d'entre eu vont nous intéresser.

Le premier est que les électrons émis par le canaux à électrons frappent la surface phosphorescente, l'illuminent, mais qu'il arrive que des électrons soient piégés dans la surface, à l'endroit de l'impact. En conséquence, une petite charge électrique s'accumule progressivement à chaque passage du faisceau, dans chaque pixel. Les électrons ne restent pas en place de manière permanente, ils finissent par s'échapper après un certain temps, ce qui fait que la charge finit par s'atténuer, mais elle peut durer quelques secondes sur les CRT conçus pour exploiter cet effet au mieux.

Le second phénomène est l'émission secondaire. Quand l'énergie du faisceau à électron est trop forte, les électrons naturellement présents dans les atomes du matériau phosphorescent sont dégagés. Les électrons éjectés deviennent alors des électrons libres qui vont allumer les zones alentours, ce qui perturbe l'affichage. Et cela arrive lors que la zone frappée par le faisceau a perdu des électrons et ne s'allume plus. Le résultat est que si une image était affichée sur l'écran auparavant, utiliser un faisceau trop fort l'efface totalement via émission secondaire. Il s'agit là d'un défaut à éviter sur les écrans d'affichage, mais c'est ce phénomène qui est utilisé sur les mémoires à tubes de stockage.

Les CRT rémanents

Il existe des écrans CRT conçus pour afficher des images sur une longue durée de temps, et pas seulement pour un 50ème ou 60ème de seconde. Ils sont appelés des écrans rémanents ou encore storage tubes, ou tubes de stockage. Avec eux, l'image affichée s'efface progressivement et lentement, mais reste visible durant quelques secondes. Pour cela, les écran de stockage sont fabriqués en utilisant un matériau phosphorescent spécial, différent de celui des autres CRT, mais le reste du CRT fonctionne de la même manière. La rémanence est liée au premier phénomène mentionné plus haut, à savoir la capture d'électrons par la surface, mais ce phénoméne est maximisé par l'usage du matériau adéquat. Cette rémanence de quelques secondes fait que l'image a besoin d'être rafraichie moins souvent, comparée à un écran CRT normal. Et les mémoires Selectron et de Williams sont basées sur de tels tubes de stockage.

La rémanence de l'image a de nombreuses applications et est utile quand on n'a pas besoin d'une réactivité importante. Elle était utile dans les radars, dans certains oscilloscopes qui demandent de capturer des évènements très brefs, etc. Quelques écrans d'ordinateur ont tenté d'utiliser ce système, notamment les écrans de la marque Textronix. Ils portent le nom de Direct-view bistable storage tube. L'idée est d'utiliser un écran CRT rémanent pour afficher une image pour éviter de rafraichir l'écran souvent. Mais pour quel l'écran soit réactif et éviter des artefacts graphiques liés à la rémanence, on est obligé d'effacer l'écran avant d'afficher une nouvelle image. Et l'effacement se fait grâce à l'émission secondaire. Pour cela, de tels écrans contenaient deu faisceaux : un faisceau normal pour afficher une image, un autre faisceau très puissant qui déclenche une émission secondaire pour effacer l'écran.

Les tubes Williams

Image affichée par un tube Williams en fonctionnement, sur l'ordinateur SWAC.

L'idée derrière les tubes tubes Williams et Selectron est de mémoriser les données sous la forme d'images à l'écran. Un bit à 1 correspond à un pixel allumé/lumineux, un bit à 0 à un pixel éteint/noir. Les écrans de l'époque ne géraient pas la couleur, aussi seul le noir et blanc était disponible (avec les niveaux de gris), ce qui est parfait pour un stockage en binaire. L'image affichée par un écran CRT est affichée ligne par ligne, avec un petit temps de pause entre l'affichage de deux lignes pour repositionner le canon à électron sur le début de la ligne suivante. Par simplicité, sur les tubes Williams, chaque ligne correspond à un mot mémoire, une case mémoire. La taille d'un mot mémoire et le nombre d'adresse dépend donc de la résolution utilisée.

Un tube Williams est composé d'un tube CRT rémanent et d'une plaque de métal placée devant l'écran, et de circuits électroniques annexes. La plaque de métal est collée à l'écran, ce qui fait qu'on ne peut pas voir l'écran proprement dit. Elle sert uniquement lors des lectures et pas pour les écritures. Lors d'une lecture, on mesure la tension sur la plaque, qui dépendra du bit stocké au moment de la lecture. La lecture se fait bit par bit, un par un. Elle est reliée à un circuit amplificateur de tension, qui amplifie la tension mesurée par la plaque. On trouve aussi des circuits pour le contrôle de l'écran CRT, à savoir des registres X et Y pour commander les bobines de défléction, de quoi générer un signal d'horloge, et des circuits électroniques pour gérer les lectures/écritures.

WilliamsTubeFigure1

L'écriture et l’effacement de l'image est ce qu'il y a de plus facile : écrire une image utilise un faisceau d’électrons normal qu'on allume ou éteint convenablement lors du balayage de l'écran, l'effacer demande de faire la même chose en utilisant un faisceau très puissant. Un faisceau normal allume le phosphore et le charge pendant un certain temps, alors que l'émission secondaire efface ce qui a été enregistré sur le phosphore.

Pour lire un bit, on envoie un faisceau d'électron sur sa position sur l'écran, dont l'intensité est situé juste en-dessous du seuil pour l'émission secondaire. Si le bit stocké est à 0, l'intensité ne sera pas suffisante pour générer une émission secondaire. Mais si cil stocke un 1, la charge électrique stockée sur la surface phosphorescente va s'additionner à l’intensité du faisceau et déclencher une émission secondaire. L’émission secondaire a déclencher une augmentation local de la tension électrique, que la plaque de métal va capter. Un amplifieur amplifie la tension mesurée sur la plaque, pour en faire une tension capable de coder un 0 ou un 1. Vous remarquerez que la lecture est destructrice, ce qui fait que toute lecture de l'écran est suivie par une écriture pour compenser, comme sur les DRAM.

Williams tube timing

Passons maintenant au rafraichissement mémoire. Il faut rafraichir l'écran pour une raison simple : l'image affichée par l'écran s'efface au bout de quelques millisecondes, quelques secondes, tout dépend du type d'écran utilisé. Le rafraichissement se fait en effectuant une lecture suivie d'une écriture : on récupère le contenu de la mémoire/tube, avant de le réécrire.

Autour de la plaque de métal et du tube CRT, on trouve divers circuits qui gèrent les lectures et écritures. Les lectures et écritures se font bit par bit, on peut masquer certains bits lors des écritures, autoriser ou interdire les lectures/écritures durant un temps, etc.

Fonctionnement d'un tube Williams, avec les circuits associés