Aula 4 – Dispositivos de Memória – Parte I – ELT013ECO2013

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Eletrônica Digital II
ELT013
Engenharia de Computação
Aula 4
DISPOSITIVOS DE MEMÓRIA
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Dispositivos de memória
 Maior vantagem dos sistemas digitais sobre os analógicos.
 Habilidade de armazenar grandes quantidades de informações.
 Instruções de um programa, dados coletados, etc.
 Memórias são formadas basicamente por conjuntos de
Flip-Flops (FFs).
 Conforme a tecnologia LSI e VLSI evolui a quantidade e a
velocidade dos FFs aumenta.
 Custo da memória diminui e armazenamento aumenta.
 Existem ainda outras tecnologias de memórias que
armazenam dados em capacitores, magneto resistores,
Spin-transfer torque, etc.
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Memórias em Sistemas Computacionais
(1)
 Memórias semicondutoras são usadas como memória
principal de um computador quando a velocidade de
operação é importante
RAM e ROM formam a
memória principal.
A memória principal do computador - sua memória de trabalho - está
em constante comunicação com a unidade central de processamento
(CPU) conforme um programa de instruções é executado.
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4
Memórias em Sistemas Computacionais
(2)
 Outra forma de armazenamento é realizada pela memória
auxiliar, separada da memória principal.
 Memória de acesso mais lento
Também chamada
memória de massa, possui
capacidade
para armazenar quantidades
grandes de dados
sem necessidade
de estar energizada.
Dispositivos comuns de memória
auxiliar são o disco magnético e o CD,
acessado por meios óticos.
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Termos Básicos (1)
 Célula de memória: um dispositivo ou um circuito elétrico usado para
armazenar um único bit (0 ou 1).
 Exemplos: flip-flops, capacitores carregados, ou uma única área em uma fita ou
disco magnéticos.
 Palavra de memória: um grupo de bits (células) na memória que
representa instruções ou dados.
 O tamanho da palavra nos computadores varia tipicamente entre 8 e 64 bits,
dependendo no tamanho do computador.
 Byte: um termo especial usado para um grupo de oito bits.
 Capacidade: uma forma de especificar quantos
bits podem ser armazenados em um dispositivo ou
sistema de memória.
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Considerações sobre Capacidade
 Qual a capacidade de uma memória que armazena 4096 palavras de
20bits?
 4.096 x 20 = 81.920 bits
 Notações: 4.096 x20 ou 4K x 20
 O que representa o K?




1K = 1.024 = 210
Frequentemente palavras de memória são múltiplos de 1.024
1M = 1.048.576 = 220
1G = 1.073.741.824 = 230
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Termos Básicos (2)
 Densidade: outro termo para capacidade.
 Um dispositivo de memória com maior densidade pode armazenar mais bits
em uma mesma área espacial.
 Endereço: um número que identifica a localização de uma palavra na
memória.
 Os endereços sempre existem em um sistema digital como um número binário,
embora números octais, hexadecimais e decimais sejam usados para
representar o endereço de forma mais conveniente.
Cada uma dessas oito palavras
possui um endereço específico
representado como um número de três
bits — de 000 a 111.
Para referenciar uma localização de
palavra específica na memória, utiliza-se o
código de endereço para identificá-la.
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Termos Básicos (3)
 Operação de leitura: a palavra binária armazenada em uma
localização de memória específica (endereço) é enviada e transferida
a outro dispositivo.
 Operação de busca, pois uma palavra está sendo obtida da memória.
 Operação de escrita: operação onde uma palavra é inserida em uma
localização de memória em particular.
 Operação de armazenamento, substitui a palavra que estava previamente
armazenada na localização.
 Tempo de acesso: medida da velocidade do dispositivo de memória
 Tempo entre o recebimento de uma nova entrada de endereço e a
disponibilidade dos dados na saída.
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Termos Básicos (4)
 Memória de acesso aleatório (random-access memory - RAM):
localização física atual de uma palavra não tem efeito no tempo gasto
para ler ou escrever em outra posição.
 O tempo de acesso é o mesmo para qualquer endereço na memória.
 A maioria das memórias semicondutoras são RAMs.
 Memória de acesso sequencial (sequential-access memory - SAM):
tipo de memória na qual o tempo de acesso não é constante,
variando de acordo com o endereço de localização atual e próxima
localização.
 Uma palavra armazenada é encontrada por sequenciamento através de todas
as localizações de memória até que o endereço desejado
seja alcançado.
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Termos Básicos (5)
 Memória volátil: qualquer memória que precisa da aplicação de
energia elétrica para armazenar informação.
 Se a energia elétrica é retirada, toda informação armazenada na memória será
perdida.
 Memória de leitura e escrita (read/write memory - RWM): qualquer
memória que pode tanto ser lida como escrita, com a mesma
facilidade.
 Memória apenas de leitura (read-only memory - ROM): ampla classe
de memórias semicondutoras destinadas a aplicações com um alto
índice de operações de leitura em relação a operações de escrita.
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Termos Básicos (6)
 Dispositivos de memória estática: dispositivos de memória
semicondutora nos quais os dados ficam armazenados
permanentemente, enquanto houver energia, sem a necessidade de
reescrever os dados na memória periodicamente.
 Dispositivos de memória dinâmica: memória semicondutora na qual
os dados armazenados não ficam armazenados permanentemente,
mesmo energizados, a menos que os dados sejam periodicamente
reescritos na memória (refresh).
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Termos Básicos (7)
 Memória principal: A memória de trabalho de um computador.
 Armazena instruções e dados que estão sendo utilizados pela CPU.
 Memória de cache: bloco de memória de alta velocidade que opera
entre a memória principal e a CPU, para otimizar a velocidade do
computador.
 Fisicamente localizada na CPU, na placa mãe, ou em ambos.
 Memória auxiliar: chamada de memória de massa por armazenar
grandes quantidades de informação externa à memória principal.
 É mais lenta que a memória principal e sempre não volátil.
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PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO DA
MEMÓRIA
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Princípios de Operação da Memória (1)
 Todo sistema de memória precisa de linhas de entrada e de saída
para:
 Aplicar o endereço binário da localização de memória acessada.
 Ativar dispositivos de memória para responder às entradas de controle.
 Colocar os dados armazenados no endereço especificado.
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Princípios de Operação da Memória (2)
 Todo sistema de memória precisa de linhas de entrada e de saída
para:
 Aplicar o endereço binário da localização de memória acessada (A4...A0).
 Ativar dispositivos de memória para responder às entradas de controle (ME).
 Colocar os dados armazenados no endereço especificado (I3...I0).
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Princípios de Operação da Memória (3)
 Todo sistema de memória precisa de linhas de entrada e de saída
para:
 Em operações de leitura, habilitar as saídas tristate, que aplicam os dados aos
pinos de saída (WE).
 Em operações de escrita, aplicar os dados a serem armazenados nos pinos de
entrada de dados (O3...O0).
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Princípios de Operação da Memória (4)
 Todo sistema de memória precisa de linhas de entrada e de saída
para:
 Ativar a operação de escrita, o que faz com que os dados sejam armazenados
na localização especificada.
 Desativar os controles de leitura ou escrita quando terminar de ler ou gravar e
desativar o CI de memória.
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Diagrama de Memória e Arranjo Virtual
de Células (1)
 Armazenar 32 palavras
 32 localizações de armazenamento diferentes; e
 32 endereços binários diferentes de 00000 a 11111 (0 a 31 em decimais).
 Há cinco entradas para endereço: A0 a A4
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Diagrama de Memória e Arranjo Virtual
de Células (2)
 Para operação de leitura e escrita:
 Código de cinco bits de endereço é aplicado às entradas de endereço.
 Em geral, N entradas de endereço são necessárias para uma memória com uma
capacidade de palavras 2N.
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Entrada Write Enable (WE)
 A entrada WE (leitura-escrita) é ativada para permitir à memória
gravar dados.
 WE indica que a operação de escrita ocorre quando WE = 0.
 R/W quando leitura ocorre no nível lógico ALTO e escrita no BAIXO.
 Somente ativo quando há dados válidos entrada de dados (escrita) ou na saída
de dados (leitura).
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Entrada Write Enable (WE)
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Habilitação de Saída (OE – Output Enable)
 O pino OE é ativado para ativar o buffer tristate e desativado para
colocar os buffers no estado de alta impedância (hi-Z).
 Um sinal de controle conectado ao OE só é ativado quando o
barramento está pronto para receber dados da memória.
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Habilitação de Memória (ME – Memory
Enable)
 Utilizado quando existem vários módulos de memória combinados
para formar uma memória de maior capacidade compartilhando o
sistema de barramentos de dados e endereços
 Pode ser nomeado como CS (chip select) ou CE (chip enable)
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Exercício
 Descreva as condições em cada entrada e
saída quando o endereço 00100 deve ser
lido:





Entradas de endereço: 00100
Entradas de dados: xxxx (não usadas)
WE: nível ALTO
MEMORY ENABLE: nível ALTO
Saída de dados: 0000
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CONEXÕES CPU-MEMÓRIA
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Conexões CPU-Memória
 A memória principal é interfaceada com a CPU através dos
barramento de endereço, de dados e de controle.
 Os três barramentos são necessários para permitir que a CPU escreva e leia
dados na memória.
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Processo de operação de escrita
1.
2.
3.
4.
5.
6.
A CPU fornece o endereço binário da localização de memória onde os dados
deverão ser armazenados e o coloca nas linhas do barramento de endereço.
Um decodificador de endereço ativa a entrada enable do dispositivo de memória
(CE ou CS).
A CPU coloca os dados a serem armazenados nas linhas do barramento de dados.
A CPU ativa as linhas de sinal de controle apropriadas para a operação de
gravação de memória (escrita).
Os CIs de memória decodificam internamente o endereço binário para determinar
a localização selecionada para a operação de armazenamento.
Os dados no barramento de dados são transferidos para a localização de memória
selecionada.
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Processo de operação de leitura
1.
2.
3.
4.
5.
A CPU fornece o endereço binário da localização de memória da qual os dados
serão recuperados e o coloca nas linhas do barramento de endereço.
Um decodificador de endereço ativa a entrada enable do dispositivo de memória
(CE ou CS).
A CPU ativa as linhas de controle apropriadas para a operação de leitura de
memória, que geralmente ficam conectadas ao CI de memória.
Os CIs de memória decodificam internamente o endereço binário para
determinar a localização que está sendo selecionada para leitura.
Eles colocam os dados da localização de memória no barramento de dados, do
qual eles são transferidos para A CPU.
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Função dos Barramento do Sistema
 Barramento de Endereço
 Unidirecional e carrega as saídas de endereço binário da CPU para
os CIs de memória, para selecionar um local de memória.
 Barramento de dados
 Bidirecional que carrega dados entre a CPU e os CIs de memória.
 Barramento de controle
 Carrega os sinais de controle (RD ou WR) da CPU para os CIs de
memória.
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MEMÓRIA APENAS DE LEITURA
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Memória Apenas de Leitura
ROM – Read Only Memory
 São memórias semicondutoras destinadas a manter dados que são
permanentes ou que não irão mudar com frequência.
 Certas ROMs não podem ter seus dados alterados após serem programados,
são programadas no processo de fabricação
 Outras podem ser apagadas e reprogramadas (eletricamente) tanto quanto for
desejado.
 O processo de entrada de dados é chamado de programação da
ROM, ou “queima” da ROM.
 Principais usos de ROMs é para armazenar programas em
microcomputadores ou outros equipamentos microcontrolados.
 Como as ROMs são não voláteis, os programas não são perdidos quando a
eletricidade é desligada.
 Programas inicias para celulares, caixas eletrônicos, câmeras, videogames, etc.
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Diagrama de blocos típico
 Possui os três conjuntos de sinais padrão:
 Entradas de endereço, de controle e saída de dados
Pelo tamanho dos barramentos, responda:
- Qual a quantidade de palavras dessa memória?
- Qual o tamanho da palavra armazenada?
- Qual o tamanho da memória?
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Diagrama de blocos típico
 Possui os três conjuntos de sinais padrão:
 Entradas de endereço, de controle e saída de dados
Pelo tamanho dos barramentos, responda:
- Qual a quantidade de palavras dessa memória?
- Qual o tamanho da palavra armazenada?
- Qual o tamanho da memória?
 A3...A0 → 24 = 16 palavras
 D7...D0 → 8 bits
 16 x 8 = 16 bytes = 128 bits
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Diagrama de blocos típico
 Saída tristate permitem a conexão da memória em
barramentos compartilhados
 Controle CS (ou CE)de seleção do chip habilita ou desabilita as
saídas da ROM
 Não existe a entrada WE para escrita em uma ROM em operação
normal
 OE habilita o buffer a colocar
saída no barramento de dados
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Operação de Leitura
1.
2.
Aplicar a entrada de endereço apropriada
Ativar as entradas de controle
Entradas de Endereço
Aplicar A3...A1 = 0111
Ativar entrada de controle
CS = nível BAIXO
Memória coloca dado na saída
D7...D0 = 11101101
Caso CS mantida em nível ALTO as saídas da
ROM ficam desabilitadas no estado de alta
impedância
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Arquitetura Interna da ROM (1)
 A arquitetura interna do CI de
uma ROM é complexa, logo é
apresentado o modelo
simplificado da ROM de 16 x 8.
Existem quatro partes básicas:




Matriz de Registradores
Decodificador de linha
Decodificador de coluna
Buffers de saída
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Arquitetura Interna da ROM (2)
 Matriz de Registradores
 Armazena os dados
programados na ROM, sendo
que cada registrador contém
várias células de memória em
quantidade igual ao tamanho
da palavra.
 Neste caso 8 bits por
registrador
 Decodificador de linha e
coluna
 Apenas o registro da seleção de
linha e coluna será ativado.
 Buffers de saída
 Transferem os dados para
saídas de dados externas.
 OE em nível BAIXO.
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Arquitetura Interna da ROM (3)
Qual registrador está a palavra
buscada pelo endereço 0111?
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39
Arquitetura Interna da ROM (3)
1
1
Qual registrador está a palavra
buscada pelo endereço 0111?
1
0
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Arquitetura Interna da ROM (3)
Qual é a palavra que ativa o
registrador 13?
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TEMPORIZAÇÃO DA ROM
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Diagrama de tempo (1)
 Existe um atraso de propagação entre a aplicação das
entradas de uma ROM e a aparição das saídas de dados
durante a operação de leitura.
Chamado tempo de
acesso (tACC), o atraso é
uma medida da
velocidade de operação
da ROM.
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Diagrama de tempo (2)
 Existe um atraso de propagação entre a aplicação das
entradas de uma ROM e a aparição das saídas de dados
durante a operação de leitura.
Outro parâmetro de
temporização
importante é o tempo
de habilitação de saída
(tOE), o atraso entre a
entrada e a saída válida
de dados.
Valores para tOE são
sempre mais curtos
que o tempo de
acesso.
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TIPOS DE ROMS
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ROM Programada por Máscara
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ROM programa por máscara (1)
 ROMs programadas por máscara (MROM) possuem dados
programados durante a fabricação do CI.
 As ROMs são feitas de
uma matriz retangular de
transistores.
 A informação é
armazenada pela
conexão ou desconexão
da fonte de um transistor à
coluna de saída.
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ROM programa por máscara (2)
 ROMs programadas por máscara (MROM) possuem dados
programados durante a fabricação do CI.
 O último passo na fabricação
é formar todos os caminhos
condutores ou conexões.
 O processo usa uma
“máscara” para depositar
metais no silício que
determina onde as conexões
irão se formar.
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48
ROM programa por máscara (3)
 Somente viável economicamente quando muitas ROMs
estiverem sendo fabricadas com a mesma informação.
 Precisa e robusta
 Alto custo
 Cliente deve fornecer a informação binária correta
 PWR DWN – modo de redução de
consumo
 Segue a habilitação da memória pelo pino CE
 CE (des)habilita a decodificação do endereço
 OE (des)habilita a saída tristate
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ROMs programáveis (PROMs)
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ROMs programáveis (PROMs)
 Para aplicações de menor volume, conexões a fusível
PROMs programáveis pelo usuário estão disponíveis.
 As memórias são programáveis sob medida pelo usuário e não
podem ser apagadas ou reprogramadas.
Se o programa na PROM estiver
errado ou tiver de ser alterado,
essa PROM terá de ser ‘jogada fora’.
Por isso, esses dispositivos são
frequentemente chamados de
ROMs programáveis apenas uma vez
(one time programmable - OTP).
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ROMs programáveis (PROMs)
 Os fusíveis são linhas finas que quando submetidas a uma
alta corrente “queimam-se”
 Quando o fusível for queimado o dado armazenado no transistor
será 0
 Quando o fusível não for queimado o dado armazenado no
transistor será 1
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ROM Programável e Apagável (Erasable Programmable ROM - EPROM)
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ROM Programável e Apagável (Erasable
Programmable ROM - EPROM)
 Pode ser programada pelo usuário, apagada e
reprogramada tanto quanto for desejado.
 Uma vez programada, ela se torna uma memória não volátil, que
irá manter seus dados armazenados indefinidamente.
Uma luz UV é usada para apagar os dados do dispositivo.
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EPROM
Modos de Operação
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Desvantagens das EPROMs
 Principais desvantagens das UV EPROMs:
 Elas tem de ser removidas do circuito para serem
programadas e apagadas.
 Operação de limpeza apaga todos os dados do chip.
 Processo total de apagamento leva até 20 minutos
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PROM Apagável Eletricamente (Electrically Erasable PROM - EEPROM)
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Electrically Erasable PROM - EEPROM
 Apagadas utilizando eletricidade
 Habilidade de apagar e reescrever bytes individuais na
matriz de memória.
 Processo interno de armazenamento de um valor
de dado na EEPROM é lento
 Velocidade da operação de transferência de dados pode
também ser mais baixa.
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Electrically Erasable PROM - EEPROM
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59
Electrically Erasable PROM - EEPROM
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60
PROBLEMAS PROPOSTOS
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Problemas Propostos
 Seção 12.1 a 12.6
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