Existem duas formas usuais de se especificar a quantidade de informação que uma memória pode armazenar:

• Quantidade de localidades x tamanho da palavra em bits
• Quantidade total de bits (ou bytes) armazenada

Um mapeamento dela pode ser visto na tabela abaixo:

A organização em ordem crescente ou decrescente de endereços é uma escolha do usuário. Logicamente, os dados mostrados são apenas um exemplo. Devido a forma de construção dos endereços, a quantidade de localidades de uma memória é sempre uma potência de 2.

Como as memórias, em geral, possuem uma grande quantidade de localidades, é usual escrever os endereços utilizando números hexadecimais. Assim, reduzimos a quantidade de dígitos a ser escritos em relação à notação, utilizando números binários e, caso necessário, podemos realizar a conversão direta entre decimal e binário, na qual cada bit hexadecimal corresponde a 4 bits binários.

Assim, 1 kB de endereços não são 1000 endereços, e sim 2¹⁰ = 1024 endereços. A seguir, veja os multiplicadores mais usuais:

Note que, com a evolução da tecnologia, surgem novos dispositivos com capacidade de armazenamento cada vez maior, popularizando o uso de multiplicadores maiores. Atualmente, é comum falarmos de discos rígidos externos da ordem de alguns terabytes e já se pesquisa tecnologias para desenvolver hds da ordem de petabytes (2⁵⁰).

O tempo de acesso de leitura é o tempo que a memória precisa para, após receber um endereço, disponibilizar a saída. Se a memória permitir a escrita, então ela também possui um tempo de acesso de escrita; o tempo necessário para que, dado um endereço e uma entrada de dados, a memória possa gravar esse dado e ficar novamente disponível para uma nova escrita ou leitura.

Por último, destacamos um fator muito importante: o custo. Em engenharia, não adianta termos a melhor solução técnica se esta é economicamente inviável. Dessa forma, o custo sempre será um fator a ser levado em consideração

Repare que o valor está diretamente relacionado à sua capacidade (2 GB, 4 GB, 8 GB) e à sua frequência (que determina a taxa de acesso). Perceba também que o tipo de memória (DDR3, DDR4 etc.) e a capacidade total máxima que pode ser utilizada dependem também da compatibilidade com a placa-mãe e o sistema operacional, respectivamente.

Interface Básica

Como você pode imaginar, a interface básica de uma memória consiste em três barramentos: o de endereço, o de dados e o de controle, conforme indicado na figura abaixo:

Associação de Memórias

Vamos analisar como associar memórias para gerar o efeito de uma memória de maior capacidade. Essa técnica é bastante utilizada; por exemplo, um pente de memória RAM de computador possui diversos circuitos integrados de memória e, geralmente, na placa-mãe podemos colocar vários pentes de memória RAM para aumentar a capacidade do sistema.

Exemplos

Exemplo 1

A partir de duas memórias 256x8, conforme descritas acima, projete uma memória de 256x16 com os mesmos sinais de controle.

Exemplo 2

A partir de duas memórias 256x8, conforme descritas acima, projete uma memória de 512x8 com os mesmos sinais de controle.

Exemplo 3

Quantas memórias 256x4 são necessárias para montar uma memória com 1024 localidades e palavra de 1 byte?

Por ser um circuito muito simples, a memória ROM não possui muitos sinais de controle, em geral ela possui apenas uma entrada habilitadora (OE, output enable) que, se ativada, habilita a saída e, caso contrário, deixa a saída em alta impedância.

A representação genérica de uma ROM é mostrada na figura abaixo:

A implementação desta ROM pode ser feita da seguinte forma:

Memória PROM

A PROM é, resumidamente, uma ROM que pode ser programada, uma única vez, pelo usuário. Note que isso não torna a PROM uma memória com suporte à escrita e à leitura, dado que a gravação dela faz parte do setup e não do funcionamento normal da memória.

A programação da PROM é realizada em alta tensão, geralmente em torno de 20 Volts, na entrada de dados de acordo com o endereço em que se quer gravar. A sobretensão queima pequenos fusíveis semicondutores, fazendo com que aquele bit seja zero no endereço determinado. Ou seja, queimamos os fusíveis onde queremos que a memória armazene o valor 0.

Note que a lógica para gravar, em que se aplica a alta tensão, é a inversa da leitura: se quisermos 1 não aplicamos nenhum sinal de gravação, se quisermos 1 aplicamos a sobretensão. E que, antes da gravação, todos os dados guardados na memória PROM são 1. O procedimento exato para gravação (nível de tensão, tempo em que a sobretensão deve ser mantida etc.) é fornecido pelo fabricante da memória.

A seguir, vemos a arquitetura de uma PROM “virgem” — que ainda não foi gravada — e de uma após o procedimento de gravação:

Nessa arquitetura, os diodos garantem que as diferentes linhas do decodificador (Y₃, Y₂, Y₁, Y₀) não entrarão em curto, uma vez que apenas 1 diodo pode conduzir por vez em cada linha de dados (D₂, D₁, D₀).

Os resistores conectados ao aterramento garantem que se não houver diodos conduzindo a linha de dados ficará em nível lógico baixo (0).

Exemplo

Qual é a tabela-verdade da memória PROM representada na Figura 8:

Solução

Na resolução consideraremos OE=1, caso contrário todos os bits de saída estão em alta impedância.

Se A₁ A₀=00, então a linha Y₀ está ativa, e nesse caso D₂=1 (fusível intacto), D₁ e D₀ estarão em nível baixo, dado que os seus fusíveis estão rompidos.

Repetindo esse raciocínio para cada combinação possível de A₁ A₀ podemos montar a tabela:

As EPROMs eram bastante utilizadas em circuitos digitais que precisavam de um setup inicial e na memória de microcontroladores.

Com os avanços tecnológicos no campo das memórias, as EPROMs foram substituídas na maioria das aplicações pelas memórias EEPROM e FLASH, que veremos adiante. A EEPROM ainda é utilizada quando é necessária uma pequena quantidade de memória. Como exemplo de dispositivos que ainda possuem EEPROM, podemos citar microcontroladores utilizados pelos sistemas Arduino.

Memória EEPROM

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), é uma memória também chamada E²PROM. Ela é uma evolução tecnológica da EPROM e as principais características que a diferenciam são:

• A memória é apagada através de um sinal elétrico.
• Pode-se escolher qual endereço deve ser apagado, não sendo necessário resetar a memória para seu estado inicial.

Na figura, abaixo, vemos a representação de uma memória EEPROM, com os sinais de controle usuais:

Assim como a ROM, a PROM e a EPROM, a EEPROM também possui acesso aleatório, sendo não volátil.

Memória SPROM

A SPROM (Serial Programmable Read Only Memory) é uma memória PROM associada a um contador, de forma que não há barramento de endereços, sendo o endereçamento realizado pelo contador. A figura a seguir apresenta o diagrama de uma SPROM.

Dessa forma, quando a primeira memória atinge o valor máximo da contagem, automaticamente a sua saída e contagem são desabilitadas, e a segunda memória é habilitada (saída e contagem).

A SPROM é utilizada em sistemas que utilizarão todos os dados armazenados de uma vez, sequencialmente, como na configuração de FPGAs.

Memória FLASH

As memórias FLASH utilizam estrutura interna diferente das memórias da família ROM, sendo outro tipo de tecnologia. Porém, em funcionalidade, elas se assemelham à EEPROM, permitindo a operação de apagamento eletricamente.

Entretanto, diferentemente da EEPROM, em que cada palavra deve ser apagada por vez, a memória FLASH permite que blocos de dados (também chamados de páginas) sejam apagados por vez. Como a operação de apagar uma informação é demorada, a memória FLASH consegue obter maiores velocidades de operação, ao mesmo tempo que não exige uma reprogramação completa após o apagamento, como a EPROM.

Além de mais rápida, o custo por bit da memória FLASH é muito menor do que a memória EEPROM, permitindo que a FLASH a substituísse na maioria das aplicações e viabilizando uma série de outras, como o HD em estado sólido (SSD) e o pen-drive.

A principal desvantagem das memórias FLASH é que elas permitem uma quantidade limitada de ciclos de escrita, fazendo com que as células de memória fiquem inutilizadas depois de certo tempo.

Atualmente, memória FLASH é amplamente utilizada, sendo a memória em estado-sólido não volátil dominante no mercado.

Memória RAM

Até o momento vimos memórias não voláteis, e como essas memórias guardam a informação mesmo na ausência de energia elétrica, não faz sentido as classificarmos como estáticas ou dinâmicas, haja vista que obviamente seriam estáticas. Agora discutiremos memórias voláteis, que perdem todas as informações ao serem desconectadas da alimentação.

Ainda em relação as memórias não voláteis, as memórias RAM apresentam velocidades de acesso muito maiores, sendo geralmente utilizadas para armazenar os dados temporários durante a execução de programas e como memória intermediária entre as unidades de armazenamento secundário (não voláteis) e o processador.

Estudaremos os dois principais tipos de memória RAM: as Dinâmicas (DRAM) e as estáticas (SRAM), sem entrar em detalhes dos diversos subtipos existentes em cada uma dessas classificações.

SRAM

As SRAM (Static RAM) ou RAM Estática, são memórias de altíssima velocidade, cujo elemento básico são circuitos biestáveis (latches ou flip-flops).

Na figura abaixo vemos a representação genérica de uma SRAM:

Utilizando esses sinais, podemos montar a tabela de operação básica de uma SRAM:

A arquitetura interna de uma SRAM é dada por:

Primeiro temos o decodificador de endereços que exerce função idêntica à observada nos circuitos das memórias ROM. Ele garante que apenas uma linha de endereço (Y₃, Y₂, Y₁, Y₀) esteja ativa por vez.

Um par de buffers de três estados conectados na saída dos latches D são ativados de acordo com a linha de endereço ativa. Eles garantem que a saída de latches de diferentes endereços não entrem em curto.

A seguir, observamos os buffers próximos às saídas da memória. O sinal de habilitação neles é CS . OE, ou seja, para a saída estar ativada é necessário que CS e OE estejam ativados.

Por último, olhamos a entrada de habilitação dos latches. Relembrando a tabela de operação do latch D:

Pela tabela característica do latch D, fica claro que para uma escrita ser realizada a entrada de enable do latch deve estar ativada.

A entrada de Enable dos latches é um AND dos sinais $CS, \overline{R/\overline{W}}$ e a linha de endereço relativa à localidade de memória do latch.

DRAM

As DRAM (Dynamic RAM) ou RAM Dinâmica, armazenam os bits como carga em minúsculos capacitores construídos na pastilha do circuito impresso com materiais semicondutores. Assim, a célula básica de memória de uma DRAM é composta por um capacitor e um transistor, que controla a carga e descarga do capacitor. Essa forma de armazenar informação torna possível construir memórias com maior capacidade, utilizando a mesma área de chip.

Por outro lado, esses pequenos capacitores, devido a correntes de fuga, perdem carga espontaneamente com o tempo, sendo necessário realizar periodicamente operações de repotencialização (mais comumente referidas pelo termo em inglês, refresh), que consiste em reescrever os dados nas mesmas posições, visando reestabelecer a carga dos capacitores que armazenam a informação.

Adicionalmente, o ciclo de leitura do dado também acaba por afetar a carga dos capacitores contendo a informação. Assim, após a realização de uma leitura, o dado deve ser reinserido. Essa operação é conhecida como pré-carga (precharge) e é feita automaticamente pela memória, porém consome tempo. Tais fatores fazem com que as DRAM sejam mais lentas do que as SRAM.

A seguir, uma tabela comparando a DRAM e a SRAM: