Sistemas Digitais II DISPOSITIVOS DE MEMÓRIA. Prof. Marlon Henrique Teixeira julho/2014

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1 Sistemas Digitais II DISPOSITIVOS DE MEMÓRIA Prof. Marlon Henrique Teixeira julho/2014

2 Memórias Conteúdo Terminologia de memórias Princípios de operação Conexões CPU-Memória Memórias apenas de leitura (ROM) Memória Flash Aplicações Memória RAM Estrutura e operação Expansão de memórias Análise de defeitos 2

3 Memórias Objetivos Compreender e usar corretamente a terminologia de memórias Descrever a diferença entre memória leitura/escrita e apenas de leitura Discutir a diferença entre memórias volátil e não-volátil Determinar a capacidade de um dispositivo de memória Descrever os ciclos de leitura e escrita numa memória Distinguir entre os diversos tipos de ROM Entender e descrever a organização e operação de RAMs Comparar as vantagens e desvantagens Combinar CIs de memórias Usar resultados de testes para encontrar defeitos

4 Memórias Introdução A maior vantagem dos sistemas digitais sobre os analógicos é a habilidade de armazenar facilmente grandes quantidades de informações por períodos curtos ou longos. Essa capacidade das memórias torna os sistemas digitais muito versáteis e adaptados a muitas situações. Já estamos muito familiarizados com o flip-flop, que é um dispositivo eletrônico de memória. Já estudamos como grupos de FFs, denominados registradores, podem ser usados para armazenar informações e como estas podem ser transferidas para outros lugares. Registradores são elementos de memória de alta velocidade usados extensivamente nas operações internas de um computador digital. Dados digitais podem tambem ser armazenados como cargas em capacitores; um tipo muito importante de memória semicondutora usa esse principio para obter alta densidade de armazenamento com baixos níveis requeridos de consumo de energia.

5 Memórias Introdução Memórias semicondutoras são usadas como a memória principal de um computador em que operações rápidas são importantes. As memórias RAM e ROM (a serem definidas em breve) constituem a memória principal

6 Memórias Terminologia Célula de memória. Um dispositivo ou um circuito eletrico usado para armazenar um único bit (0 ou 1). Palavra de memória. Um grupo de bits (células) em uma memória que representa instruções ou dados de algum tipo. Byte. Um termo especial usado para um grupo de 8 bits. Um byte sempre consiste de 8 bits. Capacidade. Uma forma de especificar quantos bits podem ser armazenados em um determinado dispositivo ou sistema completo de memória. Densidade. Quando dizemos que um dispositive de memória tem uma densidade maior do que a do outro, queremos dizer que ele pode armazenar mais bits no mesmo espaço. Ele e mais denso. Endereço. Um número que identifica a posição de uma palavra na memória.

7 Memórias Terminologia Operação de leitura. A operação segundo a qual a palavra binária armazenada em uma posição específica (endereço) da memória é detectada e entao transferida para outro dispositivo. Operação de escrita. A operação segundo a qual uma nova palavra é colocada em uma posição particular da memória. Essa operação também é chamada de operação de armazenamento. Tempo de acesso. Uma medida da velocidade de operação de um disposirivo de memória. É o tempo necessário para realizar uma operação de leitura. Mais especificamente, é o tempo entre o recebimento de um novo endereço de entrada, pela memória, e o instante em que os dados se tornam disponfveis na saída da memória. O símbolo t ACC é usado para tempo de acesso. Memória volátil. Qualquer tipo de memória que requer a aplicação de uma tensão elétrica para armazenar a informação. Se a tensão elétrica for removida, todas as as informações armazenadas na memória serão perdidas. Memória de acesso aleatório (random-access memory - RAM). Memória na qual a posição fisica real da palavra na memória nao tem efeito sobre o tempo de leitura ou de escrita naqueia posição.

8 Memórias Terminologia Memória de acesso sequencial (sequential-access memory- SAM). Um tipo de memória na qual o tempo de acesso não é constante, mas varia dependendo do endereço. Memória de leitura e escrita (read/write memory- RWM). Qualquer memória que pode ser lida ou escrita de modo igualmente fácil. Memória apenas de leitura (read-only memory-rom). Uma ampla classe de memórias semicondutoras projetadas para aplicações nas quais a razão de operações de leitura por operações de escrita é muito alta. Tecnicamente, uma ROM pode ser escrita (programada) em apenas um ciclo, e essa operação é normalmente realizada na fábrica. Memórias principalmente de leitura (read-mostly memories - RMM). Outros tipos de memória ROM, na verdade que podem ser escritas mais de uma vez; mas a operação de escrita é mais complicada do que a operação de leitura e não é realizada frequentemente. Todas as ROMs são não-voláteis e armazenam dados, mesmo quando a tensão elétrica é removida.

9 Memórias Terminologia Dispositivos de memória estática. Dispositivos de memória semicondutora nos quais os dados permanecem armazenados enquanto a fonte de alimentação estiver aplicada, sem a necessidade de reescrever periodicameote os dados na memória. Dispositivos de memória dinâmica. Dispositivos de memória semicondutora nos quais os dados armazenados não se mantém permanentemente armazenados, mesmo com a fonte de alimentação aplicada, a menos que sejam periodicamente reescritos na memória (refresh). Memória principal. Também chamada de memória de trabalho do computador. Ela armazena instruções e dados que a CPU esta acessando no momento. É a memória mais rápida no computador e sempre é semicondutora. Memória auxiliar. Também chamada de memória de massa porque armazena grande quantidade de informações externas a memória principal. Ela e mais Ienta do que a memória principal e é sempre não-volátil

10 Memórias Princípios de operação 1. Selecionar o endereço na memória que esta sendo acessado por uma operação de leitura ou de escrita. 2. Selecionar uma operação de leitura ou de escrita para ser realizada. 3. Fornecer os dados de entrada para serem armazenados na memória durante a operação de escrita. 4. Manter os dados de saída vindos da memória durante uma operação de leitura. 5. Habilitar (ou desabilitar) a memória de modo que ela responda (ou não) as entradas de endereço e ao comando de leitura ou de escrita.

11 Memórias Princípios de operação

12 Memórias Princípios de operação Entrada R/W: controla a operação realizada na memória: leitura (R) ou escrita (W). Outras denominações: são W (escrita) e WE (habilitação de escrita). Habilitação da memória (memory enable): pode ter diferentes nomes, tais como chip enable (CE) ou chip select (CS). É uma entrada ativa em nivel ALTO que habilita a memória a operar normalmente ou desabi!ita a memória. Esse tipo de entrada e útil quando diversos módulos de memória são combinados para formar uma memória de maior capacidade.

13 Memórias Princípios de operação

14 Memórias Conexões CPU-Memória A memória semicondutora tornou-se a memória principal da maioria dos computadores modernos. A memória principal esta constanternente se comunicando com a CPU. A memória principal de um computador é construida com CIs de RAMs e ROMs que são interfaceados com a CPU por meio de três grupos de linhas de sinais ou barramenots. Cada um desses barramentos consiste de diversas linhas. Quando um computador está executando as instruções de um programa, a CPU busca (lê) continuamence informações daquelas posições na memória que contem (1) o código do programa representando as operações a serern realizadas e (2) os dados sobre os quais as operações são realizadas. A CPU armazena (escreve) dados em posições da memória conforme indicado pelas instruções do programa.

15 Memórias Conexões CPU-Memória

16 Memórias Operação de escrita 1. A CPU fornece o endereço binario da posição da memória em que o dado será armazenado. Ela coloca esse endereço nas linhas do barramento de endereço. 2. A CPU coloca os dados a serem armazenados no barramento de dados. 3. A CPU ativa as linhas de sinal de controle apropriadas para a operação de escrita na memória. 4. Os CIs de memória decodificam o endereço binário para determinar a posição que está sendo selecionada para a operação de armazenamento. 5. Os dados no barramento de dados são transferidos para a posição de memória selecionada.

17 Memórias Operação de leitura 1. A CPU fornece o endereço binário da posição de memória da qual o dado deve ser recuperado. Ela coloca esse endereço nas linhas do barramento de endereço. 2. A CPU ativa as linhas de sinal de controle apropriadas para a operação de leitura na memória. 3. Os CIs de memória decodificam o endereço binário para determinar a posição que está sendo selecionada para a operação de leitura. 4. Os CIs de memória colocam o dado da posição de memória selecionada no barramento de dados, a partir do qual são transferidos para a CPU.

18 Memórias Barramentos do sistema Barramento de endereço. Esse é um barramento unidirecional que transporta as saídas binárias de endereço da CPU para os CIs de memória para selecionar uma das posições de memória. Barramento de dados. Esse é um barramento bidirecional que transporta dados entre a CPU e os CIs de memória. Barramento de controle. Esse barramento transporta sinais de controle (tais como o sinal R/W) da CPU para os CIs de memória.

19 Memória ROM Memórias apenas de leitura É um tipo de memória semicondutora projetada para manter os dados que são permanentes ou que não mudam frequentemente. Durante operações normais, nenhum dado novo pode ser escrito na ROM, mas os dados podem ser lidos dela. Para algumas, os dados que são armazenados tem de ser gravados durante o processo de fabricaçãio. Para outras, podem ser inseridos eletricamcnte. O processo de inserção dos dados é chamado de programação ou 'queima da ROM. Algumas ROMs não podem ter seus dados alterados uma vez que eles tenham sido programados; outras podem ser apagadas e reprogramadas tantas vezes quanto desejado. As ROMs são usadas para armazenar dados e informações que não mudam durante as operações normais de um sistema. O principal uso das ROMs é no armazenamento de programas em microcomputadores.

20 Memória ROM Diagrama em blocos de uma ROM

21 Memória ROM Dados armazenados na ROM

22 Memória ROM Arquitetura interna simplificada de uma ROM Matriz de registradores Armazena os dados que são programados na ROM. Cada registrador contém um número de células de memória igual ao tamanho da palavra. Os registradores são organizados em uma configuração de matriz quadrada que é comum para muitos chips de memória semicondutora. As oito saídas de dados de cada registrador são conectadas no barramento interno de dados que percorre todo o circuito. Cada registrador tem duas entradas de habilitação (E); as duas tem de estar em nível ALTO para que o dado do registrador possa ser colocado no barramento.

23 Memória ROM Arquitetura interna simplificada de uma ROM Decodificadores de endereço O código de endereço A 3 A 2 A 1 A 0 aplicado determina o registrador da matriz que será habilitado a colocar sua palavra de dados de oito bits no barramento. Os bits de endereço A 1 A 0 são fornecidos ao decodificador 1 de 4 que ativa uma das linhas e os bits de endereço A 3 A 2 são fornecidos ao segundo decodificador 1 de 4 que ativa uma coluna. Apenas um registrador tem a linha e a coluna selecionadas pelas entradas de endereço e será habilitado.

24 Memória ROM Arquitetura interna simplificada de uma ROM Buffers de saída O registrador que for habilitado pelas entradas de endereço colocará seus dados no barramento de dados. Esses dados vão para os buffers de saida, que os passam para as saídas externas de dados, desde que CS esteja em nível BAIXO. Se CS estiver em nível ALTO, os buffers de saída estarão no estado de alta impedância e D 7 a D 0 estarão em flutuação.

25 Memória ROM Temporização na ROM

26 Memória ROM - Tipos ROM programada por máscara - MROM

27 Memória ROM - Tipos ROM programada por máscara - MROM ROM programada por máscara tem suas informações armazenadas ao mesmo tempo que o circuito integrado é fabricado. São constituídas por uma matriz retangular de transistores. As informações são armazenadas conectando ou desconectando a fonte de um transistor a coluna de saida. O processo utiliza uma 'máscara' para depositar metais sobre o silício. Essa máscara determina onde se formam as conexões. Esse tipo de ROM é econômico apenas quando uma grande quantidade de ROMs é programada com exatamente as mesmas informações. A condição de cada conexão de terminal-fonte é controlada durante a produção pela máscara fotográfica baseada nos dados fornecidos pelo cliente.

28 Memória ROM - Tipos ROM programada por máscara - MROM

29 Memória ROM - Tipos ROM programável - PROM Para aplicações que usam um volume menor, os fabricantes desenvolveram PROMs com conexões a fusível que são programadas pelo usuário. Esses dispositivos são frequentemente chamados de ROMs programáveis apenas uma vez (one time programmable - OTP). A estrutura da PROM com conexão a fusível é muito similar a estrutura da MROM. Uma PROM vem do fabricante com uma conexão fina, fusível, no terminal-fonte de todos os transistores. O usuário pode seletivamente queimar qualquer um desses fusíveis para produzir os dados desejados que serão armazenados na memória. Normalmente, os dados são programados ou 'queimados' em uma PROM selecionando uma linha e aplicando o endereço desejado nas entradas de endereço, colocando os dados desejados nas entradas de dados e depois aplicando um pulso em um pino especial de programação do Cl.

30 Memória ROM - Tipos ROM programável - PROM

31 Memória ROM - Tipos ROM programável e apagável - EPROM Uma EPROM pode ser programada pelo usuario e também pode ser apagada e reprogramada quantas vezes for desejado. O processo para a programação de uma EPROM não é o mesmo que para uma PROM. As células de armazenamento em uma EPROM são constituidas de transistores MOS com uma porta de silício sem conexão elétrica (ou seja, uma porta flutuante), mas bastante próximos de um eletrodo. No seu estado normal, não há carga armazenada na porta flutuante, e o transistor produzirá um 1 Iógico sempre que for selecionado pelo decodificador de endereço. Para programar um 0, um pulso de alta tensão é usado para deixar uma carga Iiquida na porta flutuante.

32 Memória ROM - Tipos ROM programável e apagável - EPROM

33 Memória ROM - Tipos ROM apagável eletricamente - EEPROM A EEPROM mantém a mesma estrutura de porta flutuante da EPROM, mas com o acréscimo de uma região muito fina de óxido acima do dreno do MOSFET da célula de memória. Aplicando-se uma tensão alta (21 V) entre a porta do MOSFET e o dreno, uma carga pode ser induzida na porta flutuante, em que ela permanece mesmo quando a tensão de alimentação é removida; a aplicação reversa da mesma tensão faz com que a carga presa na porta flutuante seja removida, apagando a célula. O apagamento e a programacção podem ser feitos no próprio circuito. Outra vantagem da EEPROM sobre a EPROM é sua capacidade de apagar e reescrever bytes (palavras de oito bits) individual e eletricamente na matriz de memória. Durante uma operação de escrita, os circuitos internos apagam automaticamente todas as células de um endereço antes de escrever o novo dado. A capacidade de apagamento de bytes da EEPROM e seu alto nível de integração trazem duas penalidades: densidade e custo. A complexidade da célula de memória e a inserção dos circuitos de suporte no CI colocam as EEPROMs em desvantagem em relação as EPROMs no que se refere a capacidade de bit por milímetro quadrado de silício; uma EEPROM de 1 Mbit requer aproximadamente duas vezes mais silício do que uma EPROM de 1 Mbit.

34 Memória ROM - Tipos ROM apagável eletricamente - EEPROM

35 Memória ROM - Tipos ROM apagável eletricamente - EEPROM