Aula 5 – Dispositivos de Memória – Parte II – ELT013ECO2013

Report
Eletrônica Digital II
ELT013
Engenharia de Computação
Aula 5
DISPOSITIVOS DE MEMÓRIA
PARTE II
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MEMÓRIA FLASH
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EPROM x EEPROM
 EPROM
 Não voláteis com tempos de acesso rápidos
 Alta densidade e baixo custo por bit
 Removidas do circuito para serem apagadas e reprogramadas
 EEPROM
 Não voláteis com tempos de acesso rápidos
 Baixa densidade e custo muito alto por bit
 Reprogramável bit a bit sem remoção do circuito
Desafio dos projetistas:
- Fabricar uma memória não volátil
- Alta densidade (EPROM)
- Capacidade de ser apagada eletricamente (EEPROM)
- Custo baixo (EPROM)
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Memória Flash
 Memória flash
 Como a célula EPROM: simples de um único transistor
 Custo consideravelmente menor do que de EEPROM
 Curto tempo de apagamento e escrita → Flash
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Características da Memória Flash
 Apagamento total
 Apaga todas as células simultaneamente
 Apagamento por setor
 Apaga setores específicos da matriz de memória (por exemplo 512 bytes)
 Possibilita a atualização de apenas parte da memória
 Tipicamente o tempo de escrita é mais rápido que EPROM ou EEPROM
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CI de Memória Flash CMOS Típico (1)
 Para o CI da figura 4M x 8 ou 2M x 16
 A0...A20 → Barramento de dados
 DQ0...DQ15 → Barramento de endereços
 WE → Write Enable
 Nível baixo para operação de escrita
 OE → Output Enable
 Nível ALTO coloca a saída em alta impedância
 CE → Chip Enable
 Nível ALTO coloca a saída em alta impedância
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CI de Memória Flash CMOS Típico (2)
 Uma característica do CI CMOS de memória flash é o registro de
comando:
 Códigos de comando são escritos neste registro para controlar quais operações
ocorreram dentro do chip.
 A lógica de controle de estado examina os conteúdos do registro de comando e
gera sinais de lógica e controle.
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Diagrama Funcional de uma Memória
Flash
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Aplicações das ROMs (1)
 Memória de programa de microcontroladores dedicados
 Sistemas automotivos de frenagem automática, celulares, microondas, filmadoras digitais, etc.
 Transferência de dados e portabilidade, como celulares,
câmeras digitais, tocadores de MP3, pen-drives, etc.
 Memória bootstrap
 Programa relativamente pequeno armazenado em ROM que
carrega os programas do sistema operacional do dispositivo de
armazenamento de massa (disco) na memória principal do
computador.
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Aplicações das ROMs (2)
 Tabelas de Dados, os quais não mudam como tabelas
trigonométricas e de conversão de código.
 Conversores de dados, que expressos em um tipo de código
são convertidos em uma saída expressa de outro tipo,
como leituras de BCD para segmentos de dispositivos LED.
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Aplicações das ROMs (3)
 Gerador de função, que produzem formas de onda
senoidais, dentes de serra, triangulares e quadradas.
 Uma tabela de consulta ROM e um DAC são usados para gerar um
sinal de saída com forma de onda senoidal.
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RAM SEMICONDUTORA
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RAM Semicondutora
 RAM (memória de acesso direto) significa que qualquer endereço de
memória possui a mesma facilidade de acesso de qualquer outro.
 Usada em computadores para armazenamento temporário de
programas e dados
 Requer tempos de ciclo de leitura e escrita baixos, para evitar a diminuição da
velocidade de operação do computador:
 A memória RAM pode ser escrita ou lida rapidamente com mesma facilidade.
 É volátil e perde toda informação armazenada se a energia é
interrompida:
 Algumas RAMs CMOS podem ser energizadas com baterias quando a
fonte de energia principal é interrompida.
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Arquitetura da RAM
 Considera-se a RAM como composta por uma quantidade
de registradores:
 Cada registrador armazena uma única palavra de dados em um
endereço único.
 A maioria dos CIs de memória RAM possui uma ou mais entradas
de CHIP SELECT (CS)
 Usadas para ativá-lo ou desabilitá-lo completamente.
 No modo desativado, todas as entradas e saídas de dados ficam
desabilitadas, não se podendo ler ou escrever no chip.
 Para diminuir a quantidade de pinos no encapsulamento do CI, os
fabricantes combinam funções de entrada e saída de dados
usando pinos comuns.
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Organização Interna de uma RAM 64 x 4




64 palavras de 4 bits
6 linhas de em
Endereço A5...A0 → 26 = 64
Exemplo: Endereço 0110102 = 2610
 Seleciona a linha 26 da saída do decodificador
e o registrador correspondente
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Processo de Leitura em um Registrador
A entrada de ativação de
escrita WE ou R/W deve
estar como 1.
A entrada
CHIP SELECT
também tem
de estar ativada.
Os buffers de entrada ficam
desativados durante a leitura.
Quando o valor do registrador
estiver estabilizando no buffer a
linha OE vai para 0 habilitando a
saída.
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Processo de Escrita em um Registrador
A entrada de ativação de
escrita WE ou R/W deve
estar como 0.
A entrada
CHIP SELECT
também tem
de ser 0.
Os buffers de saída
tristate ficam em HiZ durante uma
escrita de dados.
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RAM ESTÁTICA (SRAM)
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RAM Estática (SRAM)
 Células de memória de RAM estática (SRAM) são flip-flops que
permanecem em um determinado estado (armazenamento de um
bit), indefinidamente, desde que a energia do sistema não seja
interrompida.
 São disponíveis em variações bipolar, MOS e BiCMOS:
 A maioria das aplicações atualmente usam RAMs CMOS.
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Diagrama de Tempo de Leitura
 Diagrama de tempo para um ciclo de leitura completo para um chip
RAM típico
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Diagrama de Tempo de Leitura
 Diagrama de tempo para um ciclo de leitura completo para um chip
RAM típico
Tempo de acesso à
RAM
Memória habilita a
saída
Memória desabilitada e
dados no barramento
Memória aceita o
endereço
Início da leitura
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Diagrama de Tempo de Escrita
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Diagrama de Tempo de Escrita
Tempo do ciclo de
escrita
Tempo de setup de
endereço
Tempo de holding de
endereços
Tempo de escrita
Tempo de setup de
dados
Tempo de holding de
dados
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SRAM Comercial
 O CMOS MCM6264C de memória RAM de 8K x 8 é um tipo
de CI de SRAM, com:
 Ciclo de leitura e escrita de 12 ns.
 Consumo de energia em standby de apenas 100 mW.
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RAM DINÂMICA (DRAM)
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RAM Dinâmica (DRAM)
 Armazena dados como cargas em capacitores
 Dados são gradualmente perdidos devido a descarga do capacitor.
 Necessárias recargas (refresh) nos dados periodicamente, através
da recarga dos capacitores, normalmente a cada 2, 4, ou 8 ms.
 Capacidades muito maiores e consumo de energia muito
menor
 Quando as considerações de projeto mais importantes são manter
o tamanho, custo e consumo de energia baixos, as DRAMs se
tornam a melhor escolha em memórias.
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Estrutura e Operação da RAM Dinâmica (1)
 A arquitetura interna da RAM dinâmica pode ser
visualizada como um matriz de células de um único bit:
Arranjo de células em uma
RAM dinâmica de 16K x 1,
com 16.384 células no total.
Memórias com palavras de 8
bits possuem registradores
com 8 células endereçáveis
na matriz
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Arquitetura simplifica de uma DRAM típica
 Palavras maiores também podem ser obtidas com arranjo
entre memórias de um único bit.
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Célula de Memória Dinâmica
 Durante uma operação de escrita, as chaves SW1 e SW2 são
fechadas.
 Durante uma operação de leitura, todas as chaves são fechadas,
exceto SW1.
 Quando SW3 é fechada o valor do capacitor é comparado com Vref para avaliar
como sendo 0 ou 1
 Durante a operação de leitura também é feito o refresh da célula de memória
por carga ou descarga
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Multiplexação de Endereço
 Para reduzir a
quantidade de pinos
nas DRAM de alta
capacidade os
fabricantes utilizam a
multiplexação de
endereços
 Cada pino de entrada
de endereço acomoda
dois bits de endereço
diferentes.
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Entrada de Endereços (1)
 CPU gera o endereço completo e o coloca em linhas de
endereço que compõe o barramento
 Duas etapas:
 Endereço de linha: RAS (row address setup)
 Endereço de coluna: CAS (column address setup)
Tempo de setup de
linha
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Tempo de setup de
coluna
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Entrada de Endereços (2)
 No endereçamento multiplexado, o endereço é aplicado
em duas partes, o de linha e o de coluna:
 Conectado diretamente aos registradores de linha e coluna.
 O registrador de linha armazena a parte alta do endereço e o de
coluna, a baixa.
 O strobe de endereço de linha (row address strobe, RAS)
armazena os conteúdos das entradas de endereço no registro de
endereço de linha.
 O strobe de endereço de coluna (column address strobe, CAS)
armazena os conteúdos das entradas de endereço no registro de
endereço de coluna.
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Ciclos de Leitura da RAM dinâmica
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Ciclos de Escrita da RAM dinâmica
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Refresh da DRAM
 Quando uma operação de leitura é realizada em uma
célula, todas as células na linha passam pelo processo de
refresh.
 A lógica de controle de refresh é usada para garantir que
cada linha seja reavivada dentro do tempo limite:
 No modo de rajada (burst refresh) a operação de memória normal
é suspensa e cada linha passa pelo refresh em sucessão até que
todas as linhas tenham passado pelo processo.
 No modo distribuído (distributed refresh), o refresh das linhas é
intercalado com as operações normais da memória.
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Refresh da DRAM
 O método mais comum é o refresh apenas como RAS :
 É realizado pulsando um endereço de linha com RAS enquanto o
CAS e WE permanecem em ALTO.
 Um controlador de RAM dinâmica (DRAM) geralmente é usado
para realizar multiplexação de endereço e geração de sequência
de contagem de refresh.
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TECNOLOGIAS DRAM
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Tecnologias DRAM (1)
 Memórias para produção em grande escala são feitas com
conectores de interfaces de memória padrão.
 Os conectores recebem uma pequena placa de circuito
impresso com pontos de contato nos dois lados da borda, e
permitem fácil instalação e substituição de componentes
de memória.
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Tecnologias DRAM (2)
 Módulos de memória:
 SIMM (single in-line memory module): placa de circuito com 72
contatos de funcionalidade equivalente nos dois lados.
 DIMM (dual-in-line memory module): de 168 a 240 pinos de
funcionalidade única em cada lado.
 SODIMM (small-outline, dual-in-line memory module): para
aplicações compactas, como laptops.
 RIMM (rambus in-line memory module): encapsulamento que
carrega DRAM do tipo direct rambus (DRDRAM).
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Tecnologias DRAM (3)
 FPM DRAM (fast page mode - FPM) : permite acesso mais
rápido a localizações aleatórias de memória dentro da
“página” corrente.
 Uma página é uma faixa de endereços de memória que possuem
valores de bits mais altos idênticos.
 Apenas as linhas de endereço baixas tem de ser alteradas para
acessar os dados.
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Tecnologias DRAM (4)
 EDO DRAM (extended data output - EDO): oferece uma
pequena melhoria em relação a FPM.
 Para acessos em uma dada página, o valor de dados na localização
de dados atual é lido e travado nos pinos de saída.
 Enquanto esses dados estão presentes na saída, um novo
endereço na página atual pode ser decodificado, e o circuito de
roteamento de dados pode ser iniciado para o próximo acesso.
 Isso permite ao controlador de memória entregar o próximo
endereço ao mesmo tempo que lê a palavra atual.
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Tecnologias DRAM (5)
 SDRAM: A DRAM síncrona é projetada para transferir dados
em rajadas rápidas de várias localizações sequenciais de
memória.
 A primeira localização acessada é a mais lenta devido ao overhead
(latência) de travamento de endereço de linha e coluna.
 A partir daí, os valores de memória são emitidos pelo sistema de
barramento.
 SDRAMs são organizadas em dois (ou mais) bancos:
 Permitem taxas altas de leitura dos dados por acessar
alternadamente os dois bancos.
 O Modo de auto-refresh permite ao dispositivo de memória
executar todas as funções necessárias para realizar o refresh
de suas células .
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Tecnologias DRAM (6)
 DDRSDRAM (double data rate SDRAM): refere-se à
interface dos módulos de memória ao barramento do PC.
 Alcança taxas de dados mais altas por transferi-los na subida e na
descida do clock do sistema, até duas vezes mais rápidas do que
os CIs SDRAM.
 Taxas de transferência em rajada DDR2 usa técnicas de buffer para
produzir taxas quatro vezes mais rápidas que SDRAMs.
 DDR3 transfere dados oito vezes mais rápido.
 Aumentar a velocidade do clock do sistema oferece ganhos
mínimos na performance, considerando-se que a latência
da SDRAM é o principal fator limitante da velocidade
máxima.
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Outras Tecnologias de Memória (1)
 Armazenamento magnético:
 O primeiro método de armazenamento magnético de informação
digital envolvia rolos de fita magnética para armazenamento e
recuperação a longo prazo de programas e dados.
 O avanço seguinte envolvia revestir discos rígidos (hard disks) com
mídia magnética e rotacioná-los enquanto uma cabeça magnética
de leitura e gravação movia-se
radialmente
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Outras Tecnologias de Memória (2)
 Armazenamento magnético não volátil: de alta velocidade
e acesso aleatório também foi usado nos primórdios da
computação com tecnologia de núcleos magnéticos
(magnetic core):
 Linhas e colunas de pequenos eletroimãs podiam ser polarizados
em qualquer direção.
 Essa tecnologia básica foi trazida de volta recentemente na forma
de memórias de acesso aleatório magnetoresistentes
(magnetoresistive random access memory, MRAM).
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Outras Tecnologias de Memória (3)
 Discos óticos têm uma tecnologia de armazenamento de
memória digital muito significativa:
 Discos compactos de áudio digital (CDs) tornaram-se disponíveis
no começo dos anos 1980, e posteriormente vieram os Vídeos
Digitais (DVDs) e os discos Blu-Ray (BDs).
Todos os formatos de
armazenamento ótico usam
essencialmente a mesma
tecnologia, diferenciando-se
principalmente no formato e na
densidade.
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ASSOCIAÇÃO DE MEMÓRIAS
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Expansão do tamanho da palavra
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Associação de Memórias (1)
 Em várias aplicações, a
capacidade de memória
RAM ou ROM ou o
tamanho da palavra não
pode ser alcançado por um
único chip de memória.
 Vários chips devem ser
combinados para prover a
capacidade e/ou o tamanho
de palavra.
Essa combinação de dois chips
de RAM age como
uma única memória 16 x 8 e é
chamado de módulo de
memória 16 x 8.
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Associação de Memórias (2)
 Deve ser observado que as
linhas de controle devem
estar associadas de forma a
controlar os CIs de
memória simultaneamente
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Exemplo 1
 O CI2125A é uma RAM estática com capacidade de 1K x 1,
entrada de seleção do chip ativa em nível BAIXO e entradas
e saídas de dados separadas. Como combinamos diversos
CI2125A para formar um módulo de 1K x 8?
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Exemplo 2
 Oito CIs 2125A 1K x 1 organizados como uma memória 1K x
8:
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Expansão da capacidade
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Exemplo 3
 Armazenar 32 palavras de 4 bits possuindo CIs de 16 x 4?
 A4 como CS
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Exemplo 4
 Combinar PROMs de 2K x 8 para produzir uma capacidade
de 8K x 8.
 Quantos CIs PROM são necessários? R: 4
 Quantas linhas no barramento de endereços?
8K = 8 * 210 = 23 * 210 = 213
R: 13 linhas de endereço
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Linhas de endereço de A10...A0 são utilizadas para selecionar uma
posição de memória dentro dos CIs PROM
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Linhas de endereço de A13 A12 A11 são utilizadas para selecionar
QUAL CI será ativado. O saída do decodificador está conectada às
entradas CS do CIs PROM.
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Linhas de endereço de A15...A14 pertencem ao barramento do
sistema e são utilizadas para habilitar ou não o decodificador de
endereços. Neste caso a decodificação acontece apenas para
endeços 400016
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Decodificação Parcial de Endereço
 A decodificação incompleta de endereço é útil quando
dispositivos de memória diferentes são usados no mesmo
sistema
 Vários tipos diferentes de memórias
podem compartilhar
os mesmos barramentos
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Linhas de endereço de A15...A13 pertencem ao barramento do
sistema e são utilizadas para habilitar qual memória será
acessada. Linhas A12...A0 são utilizadas para endereçar os 8K de
diferentes endereços.
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Combinando CIs DRAM
 CIs DRAM com tamanho de palavra de 1-4 bits têm de ser
combinados para formar módulos com tamanho de palavra
maior
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EXERCÍCIOS PROPOSTOS
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Exercícios Propostos




Seção 12.19
Seção 12.12
Seção 12.13 a 12.17
Seção 12.4 a 12.8
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