DISPOSITIVOS DE MEMÓRIA
INTRODUÇÃO
Um sistema digital é capaz de armazenar
facilmente uma grande quantidade de informação por períodos de tempo curtos ou
longos, sendo esta a sua principal vantagem sobre os sistemas analógicos, pois
tal característica torna os sistemas digitais bastante versáteis e adaptáveis a
um sem-número de situações.
Este capítulo é dedicado ao estudo dos
tipos mais comuns de dispositivos e sistemas de memória empregados no
armazenamento de informações em computadores digitais.
Já estamos familiarizados com o
flip-flop. Sabemos também que grupos de flip-flops denominados registradores
são capazes de armazenar informação estruturada (dados ou instruções), e que
tais informações podem ser recebidas/transferidas de/para outros dispositivos
de armazenamento.
Os registradores são elementos de
memória de alta velocidade, empregados no armazenamento de informação durante o
processo de execução de instruções pela unidade de controle da máquina, havendo
uma constante movimentação de informações entre os registradores e os demais
dispositivos componentes do sistema.
Em geral, um sistema de computador usa
memória principal (interna) de alta velocidade e dispositivos de memória
secundária (externa ou de massa) lentos, mas com alta capacidade de armazenamento.
TERMINOLOGIA
·
CÉLULA DE MEMÓRIA - ( Flip-flop, armazenam um único bit)
·
PALAVRA DE MEMÓRIA - (Um grupo de células, normalmente 4 a
64 bits )
·
CAPACIDADE - 1K = 1024 , 1M = 1.048.576 - ( 2K x 8 = 2048 x
8 = 16384 bits )
·
ENDEREÇO - Identifica a posição de uma palavra na memória.
·
OPERAÇÃO DE LEITURA - Também chamada de “busca” na memória.
·
OPERAÇÃO DE ESCRITA - Também chamada de “armazenamento”.
·
TEMPO DE ACESSO - Quantidade de tempo necessária à busca ou
armazenamento.
·
MEMÓRIA VOLÁTIL - Necessitam de energia elétrica para reter
a informação armazenada.
·
MEMÓRIA DE ACESSO RANDÔMICO (RAM) - O tempo de acesso é
constante para qualquer endereço da memória.
·
MEMÓRIA DE ACESSO SEQUENCIAL (SAM) - O tempo de acesso não é
constante, mas depende do endereço. Ex: fitas magnéticas.
·
MEMÓRIA DE LEITURA/ESCRITA (RWM) - Qualquer memória que
possa ser lida ou escrita com igual facilidade.
·
MEMÓRIA DE LEITURA (ROM) - Uma classe de memórias a
semicondutor projetadas para aplicações onde a taxa de operações de leitura é
infinitamente mais alta do que as de escrita. São não-voláteis.
·
DISPOSITIVOS DE MEMÓRIA ESTÁTICA - Enquanto houver energia
elétrica aplicada, não há necessidade de rescrever a informação.
·
DISPOSITIVOS DE MEMÓRIA DINÂMICA - Necessitam de recarga (
refresh )
·
MEMÓRIA PRINCIPAL (INTERNA) - É a mais rápida do sistema. (
Instruções e dados ).
·
MEMÓRIA DE MASSA - É mais lenta que a principal. Grande
capacidade de armazenamento
OPERAÇÃO DA MEMÓRIA
Apesar das diferenças existentes na
implementação de cada um dos tipos de
memória, um certo conjunto de princípios básicos de operação
permanece o mesmo para todos os sistemas de memória.
Cada sistema requer um conjunto de
tipos diferentes de entrada e saída para realizar as seguintes funções:
1. Selecionar o endereço que está sendo
acessado para uma operação de leitura ou escrita.
2. Selecionar a operação a ser realizada,
leitura ou escrita.
3. Fornecer os dados de entrada para a
operação de escrita.
4. Manter estáveis as informações de saída
da memória resultantes de uma operação de leitura, durante um tempo
determinado.
5. Habilitar ( ou desabilitar ) a memória,
de forma a fazê-la ( ou não ) responder ao endereço na entrada e ao comando de
leitura/escrita.
MEMÓRIAS DE LEITURA - ROM
As ROMs são usadas para guardar
instruções e dados que não vão mudar durante o processo de
operação do sistema.
Uma vez que as ROMs são não-voláteis, os dados nela armazenados
não se perdem quando o equipamento é desligado.
Uma
das principais aplicações da ROM é no armazenamento de alguns programas do
sistema operacional dos microcomputadores, e também para armazenar informações
em equipamentos controlados por microprocessadores, como caixas registradoras
eletrônicas, sistemas de segurança industrial e diversos aparelhos eletrodomésticos.
Para alguns tipos de ROM, os dados
que estão armazenados foram gravados durante o processo de fabricação da
memória. Para outros tipos, os dados são gravados eletricamente.
O processo de gravação de dados é
chamado de programação, ou queima, da ROM. Algumas podem apagar
e regravar seus dados
quantas vezes forem necessárias.
TIPOS DE MEMÓRIAS DE LEITURA - ROM
Este tipo tem suas posições de memória
escritas ( programadas ) pelo fabricante de acordo com as especificações do
cliente. Um negativo fotográfico, denominado máscara, é usado para especificar
as conexões elétricas do chip. Uma máscara diferente é requerida para cada
conjunto de informações a ser armazenado na ROM. Em razão de tais máscaras
serem caras, este tipo de ROM só será viável sob ponto de vista econômico, se
for produzido um número muito grande de ROMs com a mesma máscara.
A
maior desvantagem destas ROMs é o
fato de elas não poderem ser apagadas e reprogramadas, quando uma mudança qualquer no projeto do
dispositivo exigir modificações nos dados armazenados. Neste caso, a ROM com os
dados antigos não pode ser reaproveitada, devendo ser substituída por uma outra
com os novos dados gravados.
Para aplicações mais modestas em termos
de quantidades de chips a ser produzidos, a indústria desenvolveu as PROMs a
fusível, programáveis pelo usuário, isto é, elas não são programadas durante o
processo de fabricação, e sim pelo usuário, de acordo com suas necessidades.
Porém, uma vez programada, a PROM torna-se
uma MROM, ou seja, não pode ser apagada e novamente programada.
O
processo de programação de uma PROM com a conseqüente verificação dos dados
gravados pode ser muito tedioso e demorado, se realizado manualmente. Existe no
mercado um sem-número de dispositivos programadores de PROMs que permitem a
entrada da programação por teclado, para então realizar a queima dos fusíveis e
verificação dos dados gravados, sem a intervenção do usuário.
Uma EPROM pode ser programada pelo
usuário, podendo, além disso, ser apagada e reprogramada quantas vezes forem
necessárias. Uma vez programada, a EPROM comporta-se como memória não-volátil
que reterá os dados nela armazenados indefinidamente.
Uma
vez que uma célula da EPROM tenha sido programada, é possível apagá-la expondo
à radiação ultravioleta, aplicada através da janela do chip. Tal processo de
apagamento requer uma exposição de 15 a 30 minutos aos raios ultravioletas.
Infelizmente não há como apagar células selecionadas. A luz ultravioleta apaga
todas as células ao mesmo tempo, de forma que, após a exposição, a EPROM estará
novamente armazenando apenas 1s. Uma vez apagada, a EPROM pode ser
reprogramada.
As
EPROMs estão disponíveis numa faixa bem ampla de capacidade e tempos de acesso.
Dispositivos com capacidade de 128K x 8 com tempo de 45 ns são muito comuns.
A
EEPROM foi desenvolvida no início dos anos 80, e apresentada ao mercado como um
aperfeiçoamento da idéia da PROM.
A maior vantagem da EEPROM sobre a
EPROM é a possibilidade de apagamento e reprogramação de palavras individuais,
em vez da memória toda. Além disso, uma EEPROM pode ser totalmente apagada em
10 ms, no próprio circuito, contra mais ou menos 30 minutos para uma EPROM que
deve ser retirada do circuito para submeter-se à ação da luz ultravioleta.
Uma EEPROM também pode ser programada
bem mais rapidamente do que uma EPROM, requerendo um pulso de programação de 10
ms para cada palavra, em contraste com o de 50 ms necessário a se programar uma
palavra da EPROM.
APLICAÇÕES DAS ROMs
FIRMWARE
( MICROPROGRAMA )
Programas que não estão sujeitos a
mudança.
Sistemas
Operacionais, Interpretadores de linguagem, etc.
MEMÓRIA
DE PARTIDA FRIA ( BOOTSTRAP )
Programa que leva o processador a
inicializar o sistema, fazendo com que a parte residente do sistema operacional
seja transferida da memória de massa para a memória interna.
TABELAS DE DADOS
Exemplos: funções trigonométricas e de
conversão de código.
CONVERSORES DE DADOS
Recebem um dado expresso em determinado
tipo de código, e produzem uma saída expressa em outro tipo de código.
Por
exemplo, quando o microprocessador está dando saída a dados em binário puro, e
precisamos converter tais dados para BCD de forma a excitar corretamente um
display de 7 segmentos.
GERADORES DE CARACTERES
Armazena os códigos do padrão de pontos
de cada caracter em um endereço que corresponde ao código ASCII do caracter em
questão.
Por
exemplo: Endereço 1000001 ( 41H ) corresponde a letra “A”.
MEMÓRIAS DE ACESSO RANDÔMICO - RAM
O termo RAM é usado para designar uma
memória de acesso randômico, ou seja, uma memória com igual facilidade de
acesso a todos os endereços, no qual o tempo de acesso a qualquer um deles é
constante.
As
RAMs são usadas em computadores para armazenamento temporário de programas e
dados.
A
grande desvantagem reside no fato delas serem voláteis. algumas RAMs CMOS têm a
capacidade de operar em standby, consumindo muito pouca energia quando não
estão sendo acessadas. além disso, algumas podem ser alimentadas por baterias,
mantendo seus dados armazenados na ocorrência de eventuais interrupções de
energia.
RAM
ESTÁTICA (SRAM)
São aquelas que só podem manter a
informação armazenada enquanto a alimentação estiver aplicada ao chip.
As células de memória das RAMs
estáticas são formadas por flip-flops que estarão em certo estado ( 1 ou 0 ),
por tempo indeterminado.
Estão disponíveis nas tecnologias
bipolar e mos.
bipolar:
maior velocidade, maior área de integração.
MOS
: maior capacidade de armazenamento e menor consumo de potência.
alto
custo.
difícil
integração ( pouca capacidade em muito espaço ).
TECNOLOGIAS
À medida que o tempo passa, mesmo as
memórias estáticas estão ficando lentas para as frequências de operação
utilizadas no barramento local do microcomputador.
A solução foi o desenvolvimento de
novas tecnologias de memória estática:
ASYNCHRONOUS SRAM
Esse é o tipo tradicional de memória
estática, utilizada a partir do 80386. embora seja rápida, em frequências de
operação acima de 33Mhz, necessita utilizar wait states.
Tem um tempo de acesso típico de 20 a
12 ns.
SYNCHRONOUS BURST SRAM
Esse
é o melhor tipo de memória estática para micros que utilizem até 66Mhz como
frequência de operação do barramento local, pois não é preciso utilizar wait
states.
Tem um tempo de acesso típico de 12 a
8,5ns.
PIPELINED BURST SRAM
Esse
novo tipo consegue trabalhar com barramentos de até 133Mhz sem a necessidade de
wait states. Tem um tempo de acesso típico de 8 a 4,5ns.
RAM
DINÂMICA ( DRAM )
São fabricadas usando a tecnologia MOS.
Apresentam :
alta
capacidade de armazenamento.
baixo
consumo de energia.
velocidade
de operação moderada.
armazenam
1s e 0s como carga de microcapacitores mos.
baixo
custo.
desvantagem:
necessitam
de recarga periódica das células de memória
operação
de refresh de cada célula a cada 2~10
ms.
Sempre que uma operação de leitura for
realizada em determinada célula da dram, todas as células desta mesma linha
sofrerão refresh.
Mesmo não podendo baixar o tempo de
acesso da memória dinâmica ( sobretudo por causa da necessidade de ciclos de
refresh ), os fabricantes conseguiram desenvolver diversas novas tecnologias de
construção de circuitos de memória RAM.
Embora tenha o mesmo tempo de acesso,
circuitos com tecnologias de construção diferentes podem apresentar velocidades
diferentes.
Para entendermos as novas tecnologias
de construção de memórias dinâmicas e as suas vantagens, devemos ir um pouco
mais a fundo no funcionamento das memórias dinâmicas.
As novas tecnologias são alterações na
estrutura básica do funcionamento da memória, que fazem com elas gastem um
número menor de wait states.
Podemos citar:
Memória
Fast Page Mode ( FPM )
Memória
Extended Data Out ( EDO )
Memória Burst Extended Data Out (
BEDO )
Memória Synchronous Dynamic RAM ( SDRAM
)
Memória
Double Data Rate SDRAM ( SDRAM-II )
RAM
NÃO-VOLÁTIL ( NVRAM )
contém
uma matriz de RAM estática e uma matriz EEPROM no mesmo chip.
cada
célula da RAM estática tem uma correspondente na EEPROM, e a informação pode
ser transferida entre células correspondentes em ambas as direções.
elas
atuam na ocorrência de falta de energia, ou quando o computador for desligado.
a operação de transferência é realizada em paralelo e gasta alguns poucos
milissegundos.
a
NVRAM tem a vantagem de não precisar de bateria.
não
estão disponíveis em versões de grande capacidade de armazenamento. neste caso,
usa-se RAMs CMOS com bateria.