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trabalho falando sobre os tipos de memória
Tipologia: Trabalhos
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Não perca as partes importantes!
Neste trabalho irei falar sobre as memórias suas principais partes e tecnologias, tendo em vista um assunto muito importante paras os dias de hoje já que cada vez mais as tecnologias vão evoluindo e aumentando sua capacidade. Este assunto tem muito a ver com a disciplina de eletrônica digital e muito útil para o dia a dia do tecnólogo em automação industrial que ingressa no mercado de trabalho na área de programação e desenvolvimento de novos controladores programáveis.
As memórias são locais onde armazenam-se dados e programas em um sistema de computação. As memórias são as partes mais ativas de um computador, armazenando programas e dados antes, durante e após a execução. Pode-se afirmar que a memória é equivalente a milhares de registradores; cada um armazenando uma palavra binária. Há duas únicas ações que podem ser realizadas em uma memória. A primeira é a ação de guardar um elemento (ou um grupo de elementos) - em computação, esta ação genericamente denominada de armazenar e a operação em si, que é realizada para a consecução dessa ação de armazenamento, é chamada de escrita ou gravação ("write"). A segunda é a ação de recuperação do elemento guardado (ou grupo de elementos) para um uso qualquer - em computação esta ação se denomina recuperar (“retrieve") e a operação para realizá-la chama-se leitura ("read"). Até o final da década de 60, as memórias dos computadores eram magnéticas. As mais antigas eram de " tambor ": um cilindro magnético, girando a alta velocidade, com cabeças de gravação e leitura escrevendo e lendo dados e instruções em sua superfície. Outras eram construídas com núcleo de ferrite: minúsculos toróides de ferrite, costurados por fios de acesso de dados e de endereçamento. Em 1969, a IBM introduziu em seu processador modelo 360/85 , uma pequena (pelos padrões atuais) memória de 16 Kbytes, construída com transistores. Surgiam ali as memórias monolíticas, ou memórias a semicondutor. Desde então diferentes tipos de memórias tornaram-se disponíveis no mercado. Como conseqüência, o projetista tem muito onde escolher, mas a escolha é mais difícil, e deve se basear na adequação das características da memória às necessidade da aplicação.
As memórias encontram seu grande emprego no campo da informática, sendo utilizadas principalmente em computadores e periféricos. São também utilizadas em outros sistemas com microprocessadores, tais como: kits e projetos especifico. (IDOETA e CAPUANO, 2006, pp. 401-402).
Conceitos Preliminares
Quando se fala em Sistemas Digitais de um ponto de vista genérico, as memórias são vistas em dois grandes grupos: as lê-escreve e as de apenas-leitura. As memórias do tipo lêescreve são as tradicionais RAM´s e como seu nome diz, têm seu conteúdo alterado durante o funcionamento do circuito. Em contrapartida, as memórias de apenas-leitura têm conteúdo fixo e os circuitos conseguem apenas ler o que ali está escrito. Como metáfora pode-se fazer a analogia de uma memória do tipo lê-escreve com um caderno e das memórias do tipo apenas leitura com um livro. No caso de uma memória de computador, o elemento a ser manipulado fisicamente é o bit, o qual, em grupo de n bits (n pode variar consideravelmente, dependendo daquilo a que se está referindo), corresponde a unidade de informação a ser armazenada, transferida, recuperada, etc. Ou seja, a memória serve para guardar (armazenar) informações (na forma de bits) e recuperá-las quando desejado. Para isso, realizam-se de escrita (transferência de bits de outro componente do sistema de computação; por exemplo: da UCP, de disco) e de leitura (transferência de bits da memória para a UCP, disco, etc.). Por informação, entendem-se as instruções e os dados de um programa. Para que a informação possa ser armazenada em uma memória (operação de escrita) é necessário que seja definido um local disponível identificado de alguma forma precisa e única (um número, por exemplo). O número ou código que é associado ao local é o endereço ("address") e irá permitir que a informação possa ser localizada, assim como nossa residência é localizada pelo seu endereço, como o livro é localizado
Os dígitos 0 e 1 são os únicos elementos do sistema de numeração de base 2, sendo então chamados de dígitos binários, ou abreviadamente, bit. Entenda-se por bit a unidade básica de memória, ou seja, a menor unidade de informação que pode ser armazenada num computador.
Organização da memória
Como o valor de um bit tem pouco significado, as memórias são estruturadas e divididas em conjuntos ordenados de bits, denominados células, cada uma podendo armazenar uma parte da informação. Cada célula deve ficar num local certo e sabido, ou seja, a cada célula associa-se um número chamado de seu endereço. Só assim torna-se possível a busca na memória exatamente do que se estiver querendo a cada momento(acesso aleatório). Sendo assim, célula pode ser definida como a menor parte de memória endereçável. A maioria dos fabricantes de computador padronizaram o tamanho da célula em 8 bits(Byte).
Temporização e latência das memórias
Os parâmetros de temporização e latência indicam quanto tempo o controlador de memória gasta com as operações de leitura e escrita. Em geral, quanto menor esse valores, mais rápidas são as operações.
Para que você possa entender, tomemos como exemplo um módulo de memória que informa os seguintes valores em relação à latência: 5-4-4-15-1T. Esse valor está escrito nesta forma: tCL-tRCD-tRP-tRAS-CR. Vejamos o que cada um desses parâmetros significa:
Esses parâmetros costumam ser informados pelo fabricante em um etiqueta colada ao pente de memória (muitas vezes, o valor de CMD não é informado). Quando isso não ocorre, é possível obter essa informação através de softwares específicos como o gratuito CPU-Z, para Windows ou mesmo pelo setup do BIOS.
Os parâmetros de temporização fornecem uma boa noção do tempo de acesso das memórias. Note que, quando falamos disso, nos referimos ao tempo que a memória leva para fornecer os dados requisitados. O que não foi dito acima é que esse tempo é medido em nanossegundos (ns), isto é, 1 segundo dividido por 1.000.000.000.
Assim, para se ter uma noção de qual é a frequência máxima utilizada pela memória, basta dividir 1000 pelo seu tempo de acesso em nanossegundos (essa informação pode constar em uma etiqueta no módulo ou pode ser informada através de softwares especiais). Por exemplo: se um pente de memória trabalha com 15 ns, sua frequência é de 66 MHz, pois 1000/15=66.
Outros parâmetros
Algumas placas-mãe atuais ou direcionadas ao público que faz overclock (em poucas palavras, prática onde dispositivos de hardware são ajustados para que trabalhem além das especificações de fábrica) ou, ainda, softwares que detalham as características do hardware do computador, costumam informar outros parâmetros, além dos mencionados acima. Geralmente, estes parâmetros adicionais são informados da seguinte forma: tRC-tRFC-tRRD-tWR-tWTR-tRTP (por exemplo: 22-51-3-6-3-3), também considerando ciclos de clock. Vejamos o que cada um significa:
mercúrio.
Memórias CRT , também chamadas de Williams-tube, um tipo de memória que usava um tubo CRT para armazenar dados na forma de pontos luminosos.
Memórias de núcleo de ferrite , uma tecnologia popular de implementação da memória principal nas décadas de 1940 e 1950.
Memórias de filme fino , uma melhoria da tecnlogia de núcleo de ferrite, utilizada em alguns computadores na década de 1960.
Cartões e fitas perfuradas , que já foram os principais meios de memória não-volátil.
Funcionamento da memória principal
Toda memória, seja Secundária ou Principal, permite a realização de dois tipos de operações: escrita e leitura. Entende por leitura a recuperação da informação armazenada e a escrita é a gravação (ou armazenamento) da informação na memória. No caso da Memória Principal (MP), essas operações são realizadas pela UCP e efetuada por células, não sendo possível trabalhar com parte dela. A leitura não é uma operação destrutiva, pois ela consiste em copiar a informação contida em uma célula da MP para a UCP, através de um comando desta. Pelo contrário a escrita é uma operação destrutiva, por que toda vez que se grava uma informação em uma célula da MP, o seu contudo anterior de eliminado.
ROM (Read Only Memory)
A ROM (Read Only Memory) é um circuito eletrônico de memória onde os seus dados não podem ser modificados, isto é, o seu conteúdo é sempre o mesmo. Em compensação, o conteúdo dessa memória não é perdido quando cortamos a sua alimentação. Quando ligamos o micro, o processador não sabe o que fazer; ele precisa ser programado. O programa necessário para dar partida no micro é gravado em uma memória ROM, que está localizada na placa-mãe do computador. Assim, quando ligamos o micro, o processador lê e executa o programa que está localizado na memória ROM do computador. Os circuitos de memória ROM só permitem leitura, mas, em compensação, não perdem o conteúdo quando são desligados. Além disso, as memórias ROM são mais lentas do que as memórias RAM. Segundo Idoeta e Capuano (2006, p. 409) “dentre as diversas aplicações, destacamos sua utilização para o armazenamento de programas de sistemas operacional em computadores e outros sistemas digitais”. Um programa (software), quando armazenado em ROM, recebe o nome de firmware. Dentro da memória ROM do micro, há basicamente três programas (firmwares):
Estrutura interna da ROM
“Ensina” o processador a trabalhar com os periféricos mais básicos do sistema, tais como os circuitos de apoio, a unidade de disquete e o vídeo em modo texto.
Um autoteste feito sempre que ligamos o micro. Você já deve ter reparado que, ao ligar o micro, há um teste de memória feito pelo POST. O POST executa as seguintes rotinas, sempre que o micro é ligado:
Programa de configuração de hardware do microcomputador; normalmente chamamos esse programa apertando um conjunto de teclas durante o POST (geralmente
a necessidade de removê-los. Na EEPROM, é possível apagar o conteúdo de apenas um endereço e reprogramar somente um determinado dado.
Memória EEPROM
Timming – Escrita EEPROM
Flash - ROM: A Flash - ROM é uma EEPROM que utiliza baixas tensões de apagamento e este é feito em um tempo bem menor. Hoje em dia, a ROM da maioria das placas-mãe é formada por um circuito Flash - ROM, permitindo a reprogramação de seu conteúdo via software. Portanto, há duas diferenças importantes entre uma EEPROM e uma Flash - ROM: o apagamento da Flash - ROM é extremamente rápido e, ao contrário da EEPROM, não é possível reprogramar apenas um único endereço, isto é, quando a memória é apagada, todos os seus endereços são zerados. Tornaram-se muito populares por dois motivos: a utilização de dispositivos de armazenamento removíveis como os chamados pen drives e a aplicação em equipamentos de som que reproduzem música no formato MP3. Os dados armazenados neste tipo de memória permanecem ali sem a necessidade de alimentação. Sua gravação é feita em geral através da porta USB que fornece 5 Volts para alimentação.
As memórias de massa podem armazenar grande quantidade de informação e têm tido seu tamanho reduzido a cada dia. O disco rígido é o meio mais comum neste tipo de memória, mas os disquetes ainda ocupam uma pequena parcela do mercado. Não é tão rápida como a memória FLASH mas já é possível utilizá-la em equipamentos de reprodução de música e filmes como os portáteis que reproduzem videoclipes de música em vários formatos, como MPEG.
O tempo de apagamento e regravação é bastante pequeno, cerca de 5 segundos para 1 Megabit, mas pode exigir uma tensão adicional de 12 Volts, conforme o fabricante. A vantagem das flash memories é o seu custo que tende a ser menor que o da EEPROM em função de sua maior densidade; entretanto como as tecnologias estão por se consolidar no mercado, é conveniente conferir as várias opções oferecidas pelos fabricantes.
Estrutura memória Flash
ROM Read Only Memory (memória somente de leitura)
Gravada na fábrica uma única vez
PROM Programable Read Only Memory (memória programável somente de leitura)
Gravada pelo usuário uma única vez
EPROM Erasable Programable Read Only Memory (memória programável e apagávelsomente de leitura)
Pode ser gravada ou regravada por meio de um equipamento que fornece as voltagens adequadas em cada pino. Para apagar os dados nela contidos, basta iluminar o chip com raios ultravioleta. Isto pode ser feito através de uma pequena janela de cristal presente no circuito integrado.
EEPROM Electrically Erasable Programable Read Only Memory (memória programável e apagável eletronicamente somente de leitura)
Pode ser gravada, apagada ou regravada utilizando um equipamento que fornece as voltagens adequadas em cada pino.
RAM (Random Access Memory)
A RAM (Random Access Memory) é um tipo de circuito eletrônico de memória que permite a leitura e a escrita de dados em seu interior. Só que ela é uma memória volátil, isto é, cortando-se sua alimentação elétrica, apagamos os dados que estavam nela armazenados.
As memórias voláteis são aquelas que, ao ser cortada a alimentação, perdem as informações armazenadas. São memórias feitas, geralmente, a partir de simicondutores e na maioria das vezes, possuem como elemento de memória o flip-flop. Um exemplo típico é o da memória RAM (IDOETA e CAPUANO, 2006, p. 403).
É por esse motivo que devemos usar sistemas de memória de massa (discos rígidos, CDs-ROM, disquetes, etc.) para armazenarmos dados e programas. Podem ser dividas em dois grupos SRAM (Static RAM) e DRAM (Dynamic RAM).
não pode ser acessada. Como conseqüência direta, a memória dinâmica tem uma imposição física para a sua velocidade. Em outras palavras, não pode ser mais rápida porque o refresh deve ser efetuado de tempos em tempos (na ordem de alguns milissegundos).
Estrutura interna da DRAM
Características da Memória Dinâmica
Tipos de memória DRAM
Assíncronas
FPM DRAM (Fast Page Mode): A memória RAM de modo de paginação rápida foi a forma original da DRAM. Ela espera o processo inteiro de localização do bit de dado por coluna e linha e então lê o bit antes de começar a ler o próximo. A taxa de transferência máxima para o cache L2 é de aproximadamente 176 MB/s.;
EDO DRAM (Extended Data-Out): A memória DRAM de saída estendida não espera todo o processo do primeiro bit para seguir para o próximo. Tão logo o endereço do primeiro bit é encontrado, a EDO DRAM começa a procurar o próximo bit. Ela é aproximadamente 5% mais rápida que a FPM. A taxa de transferência máxima para o cache L2 é de aproximadamente 264 MB/s.
Sincronizadas
SDRAM (Memory Synchronous Dynamic RAM): Ao contrário de todas as outras tecnologias apresentadas anteriormente, a memória SDRAM é uma memória síncrona, isto é, utiliza-se do clock do barramento local para comandar os seus circuitos internos. A memória SDRAM é aproximadamente 5% mais rápida que a EDO RAM. A taxa de transferência máxima para o cache L2 é de aproximadamente 528 MB/s.
Exemplos:
Apesar de estarem rotuladas para operarem a 100 MHz, não funcionam corretamente a 100 MHz, sendo classificadas, portanto, como PC-66.
Funcionam corretamente a 100 MHz
DDR2 SDRAM (Double Data Rate): Utiliza módulo DIMM/240 pinos. Trabalha com frequências de 400, 533, 667 e 800 MHz.
DDR e DDR2 SDRAM Dual Channel: Em teoria, o uso da configuração DDR Dual Channel dobra a taxa de transferência do chipset com a memória RAM, por acessar dois módulos de memória ao mesmo tempo, em vez de apenas um. Ou seja, se usarmos dois módulos DDR400, a taxa de transferência máxima pularia de 3.200 MB/s para 6.400 MB/s.
DDR3 SDRAM (Double Data Rate): As memórias realizam 8 acessos por ciclo, contra os 4 acessos por ciclo das memórias DDR2. Utilizam os mesmos 240 pinos o que muda é a posição do chanfro. Pode trabalhar com frequência de até 1600 MHz.
RDRAM: A memória Rambus DRAM é um desvio radical da arquitetura prévia da memória DRAM. Projetada pela Rambus (em inglês), a RDRAM usa um módulo de memória RIMM, similar em tamanho e configuração de pinos a uma DIMM padrão. O que faz a RDRAM tão diferente é que ela usa um barramento de dados de alta velocidade especial chamado canal Rambus. Os chips de memória RDRAM funcionam em paralelo para atingir uma taxa de dados de 800 MHz, ou 1.600 MB/s. Já que operam em velocidades altas, geram muito mais calor que outros tipos de chips. Para prevenir o excesso de calor, os chips Rambus vêm com um dissipador de calor, que parece uma lâmina longa e fina.
Todos os acessos da memória pelo processador são alimentados pelo sistema de cache. Ela compreende um comparador de endereços que monitora as requisições do processador, alta velocidade da RAM estática e chips extras de hardware.
Cache L
A primeira camada de cache do sistema, encontrada sempre dentro do próprio processador (com exceção apenas para os micros 386). O cache L1 trabalha sempre na mesma freqüência do processador e com tempos de latência extremamente baixos.
Cache L
Encontrado ou embutido no processador, ou na placa mãe, dependendo do sistema. Mesmo no caso dos processadores atuais, que trazem tanto cache L1 quanto cache L2 embutidos, operando à mesma freqüência do processador, os tempos de latência do cache L2 sempre serão mais altos, garantindo uma velocidade de acesso mais baixa que no L1. Cache L
O primeiro processador a utilizar cache L3 foi o K6-3, onde tanto o cache L1 e o L2 vinham embutidos no processador, sendo o cache da placa mãe aproveitado na forma do cache L3. Sistemas semelhantes também são usados em alguns servidores, onde chegam a ser usados vários MB de L3. O Pentium 4 Xeon da Intel também utiliza cache L3, mas embutido no próprio núcleo do processador.
Registradores
Os Registradores de uma unidade central de processamento é um tipo de memória de pequena capacidade, porém muito rápida contida no CPU, utilizada no armazenamento temporário durante o processamento. Os registradores estão no topo da hierarquia de memória, sendo assim, é o meio mais rápido e caro de se armazenar um dado. São utilizados na execução de programas de computadores, disponibilizando um local para armazenar dados. Na maioria dos computadores modernos, quando da execução das instruções de um programa, os dados são movidos da memória principal para os registradores. Então, as instruções que utilizam estes dados são executadas pelo processador e, finalmente, os dados são movidos de volta para a memória principal.
Encapsulamentos
DIP (Dual In Line Package) - 8 Bits
Este é o encapsulamento mais antigo para memórias, era usado como Chip de memórias em microcomputadores XT e 80286. Porém, atualmente este encapsulamento é usado para outros tipos de circuitos integrados que não sejam memórias. A instalação de memórias com encapsulamento DIP era difícil e perigosa. Os PCs usavam normalmente de 9 a 36 chips de memória DIP. A instalação era muito
demorada, e o técnico ainda corria o risco de dobrar acidentalmente as “perninhas” dos chips durante o encaixe. Para facilitar a instalação e a retirada de memórias, foram criados os chamados módulos de memória, nos anos 80. Os primeiros módulos eram chamados de SIPP (Single In-line Pin Package). Um módulo nada mais era que uma pequena placa de circuito com vários chips de memória já instalados. Os módulos SIPP tinham terminais (“perninhas”) para encaixe no seu soquete. Ao instalar um módulo SIPP, estávamos na verdade encaixando simultaneamente, 8 ou 9 chips de memória.
Encapsulamento DIP
Encapsulamento SOJ
Encapsulamento TSOP
Encapsulamento CSP
SIPP (Single In Line Pin Package) - 8 Bits
Este encapsulamento é na verdade uma variação do DIP, sua diferença é que ao invés de se usar as memórias DIP soquetadas ou soldadas na placa mãe, o SIPP tinha
não existe. Módulos DIMM/168 têm um total de 168 terminais, sendo 84 na face frontal e 84 na face posterior. Módulos DIMM/168 operam com 64 bits simultâneos, portanto um único módulo forma um banco de memória. Possuem 2 cortes dividindo os contatos em 3 partes, fazendo com que só possam ser encaixados de uma só forma.
DIMM/184 (Double In Line Memory Module) - 64 Bits
Esse módulo possui 184 vias (92 contatos em cada lado), é utilizado em memórias com tecnologia DDR. O módulo DIMM/184 possui cortes (chanfros) diferentes do módulo DIMM/168. Graças a esses chanfros é impossível encaixar um módulo DIMM/168 em um DIMM/184 e vice-versa
RIMM/184 (Rambus In Line Memory Module)
O Formato RIMM é usado somente nos módulos de memória que utilizam os chips com tecnologia Rambus, que veremos mais adiante. RIMM é a sigla de Rambus Inline Memory Module. Cada módulo só é capaz de transferir 16 bits de cada vez, mas o controlador de memória agrupa 4 acessos à memória antes de entregar os dados para a CPU, formando assim os 64 bits necessários. Desta forma os bancos de memória podem ser compostos de apenas 1 módulo. Uma característica marcante dos módulos RIMM é o fato de eles possuírem um dissipador metálico envolvendo os chips de memória. Isto ocorre porque estes chips trabalham em velocidades de clock muito altas e geram calor. O módulo RIMM possui 184 pinos. Uma peculiaridade do formato RIMM é que, devido à tecnologia RDRAM, todos os encaixes de memória existentes na placa-mãe têm que estar preenchidos para que a memória funcione. Como nem sempre é possível comprar vários módulos de RIMM, usa-se um módulo “falso” que serve apenas pra preencher os encaixes (slots) vazios. Este módulo “falso” é chamado de C-RIMM.
DIMM/240 (Double In Line Memory Module) - 64 Bits
Esse módulo possui 240 vias (sendo 120 contatos em cada lado), é utilizado em memórias com tecnologia DDR2. Esse módulo possui um chanfro igual ao módulo DIMM/184, porém localizados mais a esquerda.
Banco ou associação de memórias seu objetivo de projetar um banco de memória pode ser:
Caso 1: Aumentar o número de bits por registro Caso 2: Aumentar o número de posições de memória Caso 3: Aumentar ambos Caso 4: Associar memórias de tipos diferentes
Exemplo do caso 1
Exemplo do caso 2
Exemplo do caso 3
Exemplo do caso 4
Com o passar do tempo, a evolução das tecnologias de memórias não somente as torna mais rápidas, mas também faz com que passem a contar com maior capacidade de armazenamento de dados. Memórias ROM do tipo Flash, por exemplo, podem armazenar vários gigabytes. No que se refere às memórias RAM, o mesmo ocorre. Por conta disso, a pergunta natural é: quanto utilizar? A resposta depende de uma série de fatores, no entanto, a indústria não para de trabalhar para aumentar ainda mais a velocidade e a capacidade desses dispositivos. Portanto, quando menos esperar, vai ouvir falar de uma nova tecnologia de memória que poderá se tornar um novo padrão de mercado.
