MEMÓRIAS A SEMICONDUTOR 9 MEMÓRIAS A SEMICONDUTOR RESUMO 9.1 Tipos de Memórias num Computador 9.2 Conceitos Básicos 9.3 Memórias RAM 9.4 Memórias ROM 9.5 Associando Memórias 9.6 Memórias com Acesso Seqüencial 9.7 Hierarquia das Memórias

Objetivos No final do capítulo, o leitor será capaz de: Conhecer os diversos tipos de Memória a Semicondutor Trabalhar com RAM, SRAM, DRAM, ROM, EPROM, EEPROM, FLASH Manipular convenientemente circuitos comerciais Desenvolver associação de “Chips” de Memórias Trabalhar com Memórias Seqüenciais

Monitor Outros Computadores CPU Registradores Controle De Video Placa de Rede Teclado Mouse Contadores Barramento ALU Controladora de Discos Portas Serial, Paralela, USB RAM Controle ROM Floppy Disc Impressora CD Modem Memória Principal Disco Rígido Memória Secundária

9.2 CONCEITOS BÁSICOS Memória Célula de Memória (“Memory Cell”) “Chip” Memória Bipolar e MOS MOS (“Metal-Oxide Semiconductor”) NMOS: uma técnica MOS onde o mecanismo de condução básico é governado por elétrons. PMOS: uma técnica MOS onde o mecanismo de condução básico é governado por buracos. CMOS: uma técnica MOS onde o mecanismo de condução envolve buracos e elétrons.

Potência consumida Potência utilizada ou dissipada pelo “Chip” de memória. Custo de armazenamento por “bit” Corresponde ao preço do circuito integrado dividido pelo número total de “bits” que pode armazenar. Escrever (“Write”) Termo usado para a operação de armazenamento de uma informação binária. Ler (“Read”) Termo usado para a operação de resgate, ou busca, de uma informação armazenada.

Entradas de endereço (“Address”) Entradas de dados (“Datas”) Saídas (“Outputs”) Dado (“Data”) Densidade Palavra (“Word”) “Byte” K Caracter usado para se referir a uma quantidade de “bits” igual a 210 “bits”, ou seja, 1024 “bits”. Por exemplo, 32 K = 32 x 1024 “bits” = 32.768 “bits”.

“Kilobyte” Termo usado para um conjunto de 1024 (210) “bytes”. Portanto, uma memória com 1 Kbyte pode armazenar 1024 x 8 “bits”, ou seja, 8192 “bits”. “Megabyte” Termo usado para um conjunto de (220) “bytes”, ou seja, 1 milhão de “bytes”. Portanto, uma memória com 1 Mbyte pode armazenar 1024 x 1024 x “bytes” (ou seja, 1.048.576 “bytes”), totalizando 8 388 608 “bits”. “Gigabyte” Termo usado para um conjunto de (230) “bytes”, ou seja, 1 bilhão de “bytes”. Portanto, uma memória com 1 Gigabyte pode armazenar 1024 x 1024 x 1024 x “bytes” (ou seja, 1 073 741 824 “bytes”). “Terabyte” Termo usado para um conjunto de (240) “bytes”, ou seja, 1 trilhão de “bytes”. Portanto, uma memória com 1 Terabyte pode armazenar 1024 x 1024 x 1024 x 1024 x “bytes” (ou seja, 1 099 511 627 776 “bytes”).

Memória volátil É a memória que perde o seu conteúdo na ausência de alimentação. Memória não-volátil ou fixa É a memória que não perde o seu conteúdo na ausência de alimentação. “Tempo de acesso” Define-se como tempo de acesso ao intervalo de tempo necessário para transferir uma informação de uma locação da memória para as suas saídas. Este parâmetro é válido para qualquer tipo de memória. “Standby” Disponível em algumas memórias, que garante baixo consumo.

Exemplo 9.1 Um “chip” de memória possui capacidade igual a 16 K x 4. Quantos “bits” podem ser armazenados no “Chip”? Solução: Um “chip” com capacidade igual a 16 K x 4 significa que possui 16 x 1024 (=16 K) posições de memória, cada uma com 4 “bits”. Portanto, pode armazenar 16 x 1024 x 4 “bits”, ou seja, 65536 “bits”.

Exemplo 9.2 Um “chip” de memória possui capacidade igual a 32 K x 8. Quantos são os terminais para entradas de endereço, para entradas de dados e para saídas de dados? Um “Chip” com capacidade igual a 32 K x 8 significa que possui 32 x 1024 (= 32 K) posições de memória, cada uma com 8 “bits”. Portanto, possui 32 x 1024 (= 32768) posições de memória. O número (n) de entradas de endereço é definido pela equação: 2n = número de posições. Neste caso, teríamos: 2n igual a 32768, ou seja, n deve ser igual a 15. Como cada posição possui oito “bits”, serão necessários oito terminais para entradas de dados e oito para saídas de dado, salvo se o “chip” usar os mesmos terminais para entrada e saída de dados conforme veremos mais adiante.

RAM - DOIS TIPOS – ESTÁTICA e DINÂMICA 9.3 MEMÓRIAS RAM Neste tipo de memória é possível realizar operações de escrita e de leitura. Por esta razão, também são conhecidas com a designação de memória de leitura/escrita (Memory Read/Write - MRW). RAM - DOIS TIPOS – ESTÁTICA e DINÂMICA 9.3.1 Memória RAM Estática - SRAM É uma memória do tipo leitura/escrita - tecnologia Bipolar ou MOS - onde cada “bit” é armazenado numa estrutura tipo “latch”. Cada “latch” usa de quatro a seis transistores. Os dispositivos Bipolares tendem a ser mais rápidos do que os MOS, que por sua vez, consomem menos potência e permitem maior capacidade de armazenamento por área de silício. 11

Célula de Memória Sele ç ão X R Entrada S Q Sa í da S D Leitura/Escrita R/W

Sele ç ão X R Entrada S Q Sa í da S D Leitura/Escrita R/W Quando a entrada de seleção X assume 0, a Célula é desabilitada, a saída S assume 0, R e S assume 0 garantindo uma manutenção (“latch”) de Q.

Quando a entrada de seleção X assume 1, a Célula é habilitada, podendo operar no modo escrita (R/W´ igual a 0) ou no modo leitura (R/W´ igual a 1). Sele ç ão X 1 R Entrada S Q Sa í da S D Leitura/Escrita R/W Se ainda R/W’ assumir 0, a entrada D é armazenada no “latch” (saída Q), caracterizando uma operação de escrita. Se, a seguir, R/W’ assume 1, o valor armazenado no “latch” fica preservado (travado) e ele fica bloqueado para armazenamento.

Quando a entrada de seleção X assume 1, a Célula é habilitada, podendo operar no modo escrita (R/W´ igual a 0) ou no modo leitura (R/W´ igual a 1). Sele ç ão X 1 R Entrada S Q Sa í da S D Leitura/Escrita R/W Com X em 1 e R/W’ em 1, o conteúdo do “latch” passa pela porta AND de saída e é apresentado em S, caracterizando uma operação de leitura.

“Buffer” na saída Sele ç ão X CS R Entrada S Q Sa í da S D R/W Leitura/Escrita Com “buffer” na saída é possível conectar ou desconectar a saída S das entradas de outros dispositivos. Quando CS assume nível 1, o circuito se comporta como o da figura anterior. Contudo, ao assumir nível 0, o “buffer” entra em terceiro estado (alta impedância), isolando (desconectando) a célula de memória de outros circuitos. Neste caso, ainda é possível a operação de escrita.

Memória com 4 x 3 células S0 D E C A0 O S1 D I A1 F I C A S2 D O R S3 CM CM CM E C A0 O S1 D I 4 5 6 A1 F CM CM CM I C A S2 D O 7 8 9 R CM CM CM S3 Habilita Enable a Mem ó ria 10 11 12 CM CM CM Leitura/Escrita O2 O1 O0 CS

Memória com 1024 x 4 células Endereços Entradas / sa í das __ __ A0 A1 I/O1 I/O2 I/O3 I/04 1024x4 CS WE Endereços Entradas / sa í das A4 A5 A6 Decodificador/ Matriz de A7 " latch " de linha C é lulas A8 " Buffers " A9 " Buffers " de Entrada de Sa í da I/O1 I/O2 Circuito de Controle dos Entrada/ Sa í da I/O3 Dados I/04 de Entrada Decodificador/ " latch " de coluna A0 A1 A2 A3 __ CS Y __ X WE

Temporização e Largura de Pulso de Escrita - SRAM SRAM Síncrona Uma geração conhecida como memória SRAM Síncrona que possui um sincronismo com o processador garantindo tempo de acesso menores as SRAM Assíncronas. Temporização e Largura de Pulso de Escrita - SRAM Os parâmetros relacionados aos tempos de chaveamento numa memória devido aos atrasos nas portas internas, aos sinais de endereços, de controle e das restrições impostas pelos tempos de tempos de preparação (estabilização) e manutenção (retenção).

SRAM SMJ5C1008 da Texas - CMOS 128 K x 8, ou seja, com 1048576 bits ( 128 * 1024 * 8 ) (CE1)’ e CE2 do tipo “Enable” - habilitar o Chip ou colocar em “standby” Quando a entrada (OE)’ assume nível 0, as saídas são colocadas em terceiro estado Numa operação de escrita, (WE)’ e (CE1)’ assumem nível 0 enquanto CE2 assume nível 1. Numa operação de leitura, (WE)’ e CE2 assumem nível 1 enquanto (CE1)’ e (OE)’ assumem nível 1. A6 A5 A4 A3 A15 A14 A13 A8 A7 A16 A0 A2 A1 A10 A9 A12 A11 Decodificador de linha Controle I/O de coluna Matriz com 1048576 "bits" CE2 Power Down __ OE WE ___ CE1 DQ8 . DQ1 128 K x 8 NC 1 32 VCC A16 2 31 A15 A14 3 30 CE2 A12 4 29 (WE)' A7 5 28 A13 A6 6 27 A8 A5 7 26 A9 A4 8 25 A11 A3 9 24 (OE)' A2 10 23 A10 A1 11 22 (CE1)' A0 12 21 DQ8 DQ1 13 20 DQ7 DQ2 14 19 DQ6 DQ3 15 18 DQ5 VSS 16 17 DQ4

Sinais numa Operação de Leitura Tempo de ciclo de leitura: tc Intervalo de tempo em que as entradas de endereço permanecem válidas numa operação de leitura. Tempo “hold” para dados: thd Intervalo de tempo em que os dados permanecem válidos na saída após uma mudança de endereço. Tempo de acesso: tac Intervalo de tempo decorrido desde o instante em que as entradas de endereço se estabilizam até o instante em que a informação fica disponível nas saídas da memória, ou seja, tempo necessário para copiar o conteúdo de uma posição na memória para as suas saídas. Tempo de habilitação do “chip”: tce Tempo de resposta do circuito após a seleção do circuito. tc A0 - A16 Endere ç o V á lido t t ac hd DQ1 – DQ8 Dados anteriores v á lidos Dados v á lidos Dados inv á lidos Chip sempre selecionado t c A0 - A16 Endere ç o V á lido (CE1) ’ CE2 t ac (OE) ’ t ce DQ1 – DQ8 Dados v á lidos Alta Impedância Dados inv á lidos Chip selecionado pelos “enable”

Sinais numa Operação de Escrita Largura do pulso de escrita: tw Tempo “set-up” para dados: tsd Tempo transcorrido desde a estabilização das linhas de dados até o fim do pulso de escrita. Tempo “set-up” para endereços: tse Tempo transcorrido desde a estabilização das linhas de endereço até o início do pulso de escrita. Tempo “set-up” para seleção: tss Tempo decorrido desde a seleção do “chip” até o início de armazenamento. Tempo “hold” para dados: thd Tempo mínimo de permanência das linhas de dados após pulso de escrita. Tempo “hold” para endereços: the Tempo mínimo de permanência das linhas de endereço após pulso de escrita. t c A0 - A16 Endere ç o V á lido t ss t he (CE1) ’ t se t w (WE) ’ t sd t hd Dados de Entrada Dado V á lido Sa í das Q Alta Impedância Alta Impedância Tempo “hold” para seleção: ths Tempo mínimo de permanência do sinal de seleção após pulso de escrita.

Mapeando o conteúdo da memória __ __ CS WE Entradas / sa í das Endere ços I/O1 I/O2 A0 RAM I/O3 A1 I/04 A2 8 x 8 I/O5 I/O6 I/O7 I/08

Procedimento de escrita: 1. CW1 = 0; 2. Defina endereço; Entradas de endereços (hexadecimal) "Displays" 1 2 3 4 RAM1K A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 IO7 IO6 IO5 IO4 IO3 IO2 IO1 IO0 CS WE 74LS126 4C 4A 3C 3A 2C 2A 1C 1A 4Y 3Y 2Y 1Y CW2 5V CW1 F 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 Procedimento de escrita: 1. CW1 = 0; 2. Defina endereço; 3. Coloque os dados; 4. Acione a chave CW2. Procedimento de leitura: 1. CW1 = 0; 2. Defina o endereço; R1 1k 3. Observe os dados armazenados nas Leitura/ C2 saídas. Escrita C1 CW2 = 1 Leitura CW2 = 0 Escrita CW1=1 garante alta impedância CW1=0 libera o "chip" Entradas de dados

9.3.2 Memória Dinâmica DRAM RAS CAS Endere ç os Entrada A0 A1 DRAM D A2 4116 A3 A4 16K x 1 Q A5 A6 Sa í da R/W Memória volátil tipo leitura/escrita onde cada “bit” da informação é armazenado num micro capacitor CMOS. Um único transistor é usado para carregar o capacitor (nível 1) ou descarregá-lo (nível 0). Comparadas com as estáticas, elas consomem menos e favorecem maior densidade (larga integração). Precisa passar periodicamente por uma operação de refrescamento (”refresh operation“),

Os “chips” DRAM possuim sinais de controle típicos denominados RAS e CAS, usados na definição do endereço em questão. RAS (“Row Address Strobe”): Um sinal usado para controlar a entrada do endereçamento de linhas. Pode ser ativo em alto (RAS) ou em baixo (RAS)’. CAS (“Column Address Strobe”): Um sinal usado em DRAM’s para controlar a entrada do endereçamento de coluna. Pode ser ativo em alto (CAS) ou em baixo (CAS)’.

H MEMR L H (RAS)' L H S L H (CAS)' L H Clock L 0.00 10.00n 20.00n D Q P Clock MEMR (RAS)’ (CAS)’ S PROCESSADOR A0 RAS CAS A1 A2 DRAM A3 4116 Entrada H A4 A0 A5 MEMR A1 A6 D A2 MUX L A7 A3 H A8 A4 Q A5 (RAS)' A9 A10 A6 L A11 Sa í da H A12 S A13 MEMR S L R/W H CONTROLE (CAS)' L H Clock L 0.00 10.00n 20.00n 30.00n Tempo (s)

9.3.3 Memória Dinâmica Síncrona - SDRAM Numa Memória de Acesso Randômino Dinâmica Síncrona (SDRAM - “Syncronous Dynamic Random Acess Memory”) que, ao contrário das DRAM’s típicas assíncronas, os sinais de endereço, dados e controles são sincronizados com um sinal “clock”. Isto permite uma taxa de transferência maior do que as DRAM. Por exemplo, troca dados com o microprocessador em sincronia com o sinal “clock”, operando am alta velocidade sem imposição de estados de espera.

9.3.5 Decidindo entre SRAM e DRAM Apesar da necessidade de refrescamento, a grande vantagem das memórias dinâmicas sobre as estáticas é a de permitir maior densidade - número de componentes por área de silício - na fabricação dos “chips” em função do armazenamento capacitivo. Também operam com baixo consumo, da ordem de 3 a 5 vezes menor do que as estáticas. Por outro lado, as estáticas em função do armazenamento transistorizado são mais rápidas do que as dinâmicas, contudo, são mais caras devido à sua menor densidade. Quando o que se deseja é maior velocidade de acesso e menor complexidade de circuitos, devemos usar as SRAM. Quando o crítico é a densidade e o consumo de energia, devemos usar DRAM.

9.4 MEMÓRIAS ROM Tipos Existem cinco tipos básicos de ROM: 1) ROM padrão ou de máscara (fabricada como uma matriz de diodos ou transistores); 2) PROM; 3) EPROM; 4) EEPROM; 5) FLASH. 9.4.1 ROM com Matriz de Diodos A Linha X B Linha Y C Linha Z D Linha W Saídas S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 Colunas

Endereço Linhas Saídas A1 A0 X Y Z W S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 1 D E C O F A R A Linha X A1 B Linha Y C Linha Z A0 D Linha W Saídas S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 Endereço   Linhas Saídas A1 A0 X Y Z W S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 1

9.4.2 ROM programável pelo usuário - PROM O circuito TBP28S166 é um “chip” de memória do tipo PROM Bipolar com 2 Kbytes. O circuito TMS27PC256 é um “chip” de memória do tipo PROM CMOS com 32 Kbytes, com controle para “standby” e com tempo de acesso de 150 ns. Permite uma única gravação. Possui um fusível em série com o Diodo.

9.4.3 ROM Programável e Apagável pelo Usuário “EPROM” - “Erasable PROM” Memória fixa que pode ser programada e reprogramada pelo usuário. É implementada usando o princípio de armazenamento do tipo “Floating-gate Avalanche Injection MOS” (“FMOS”), onde uma porta de silício fica sem conexão elétrica (porta flutuante) num ambiente de alta impedância. Cada intersecção linha/coluna de uma EPROM possui dois transistores separados entre si por uma fina camada de óxido. Os dois transistores são chamados, respectivamente, porta flutuante (“floating gate”) e porta de controle (“control gate”). Originalmente, todos os transistores estão cortados, garantindo 1 em todas as posições. Apagável com equipamento especial a base de luz ultravioleta.

EEPROM – “Electrically Erasable ROM” (E2PROM) São similares às memórias EPROM, contudo, o conteúdo pode ser apagado eletronicamente. Os “chips” não precisam ser retirados dos soquetes para o ambiente de gravação, como normalmente é feito nas EPROM’s; 2) O conteúdo inteiro do “chip” não precisa ser apagado para promover uma mudança em uma determinada posição da memória; 3) A mudança de conteúdo não requer um circuito ou equipamento adicional e específico. 4) Tanto a gravação quanto o apagamento é feito por sinais elétricos.

FLASH São memórias graváveis e apagáveis eletricamente, à exemplo das EEPROMs. Combina todas melhores características dos tipos anteriores. De grande densidade, não volátil, leitura/escrita, rápidas e baixo custo . São usadas no lugar de discos rígidos de baixa capacidade. Nas memórias EEPROM’s é possível mudar 1 “byte” por vez, tornando-as versáteis, contudo, mais lentas para serem usadas em sistemas onde ocorrem mudanças rápidas no armazenamento de dados, limitação corrigida com o desenvolvimento das memórias FLASH, onde o tempo de apagamento pode ser da ordem de micro segundos. Internamente as memórias FLASH são do tipo EEPROM com um circuito de fiação que permite apagar o conteúdo inteiro do “chip” ou de uma área pré-determinada chamada de bloco. São mais rápidas dos que as EEPROM’s porque escrevem, de uma vez, dados em pacotes, normalmente com tamanho igual a 512 “bytes”, ao invés de 1 “byte” por vez.

9.5 ASSOCIANDO MÉMORIAS RAM CASO 1: Construindo um circuito equivalente com 1024x8, usando “ Chips” com 1024x4 1024X4 1024X8 E N D R Ç O S A0 A0 A1 A1 A2 A2 I/O1 A3 A3 I/O2 A4 I/O1 A4 I/O3 A5 I/O2 A5 I/O4 A6 Entradas/ Saídas A6 ? I/O3 I/O5 A7 A7 I/O4 I/O6 A8 A8 I/O7 A9 A9 I/O8 CS CS R/W R/W O que queremos obter SOLUÇÃO: Colocar um “edifício” ao lado do outro. Ou seja, vamos usar dois circuitos com 1024x4. Associação Horizontal

1024X4 A0 A1 A2 A3 A4 I/O1 1024X8 A5 I/O2 A0 A6 I/O3 A1 A7 I/O4 A2 I/O1 A8 A3 I/O2 A9 A4 I/O3 A5 I/O4 A6 ? I/O5 A7 CS I/O6 A8 I/O7 R/W A9 I/O8 1024X4 CS A0 R/W A1 A2 A3 O que queremos obter A4 I/O1 A5 I/O2 A6 I/O3 A7 I/O4 A8 A9 O que fazer? Interligar todas os terminais similares, de mesma natureza, menos as saídas. CS R/W

? CIRCUITO FINAL 1024X4 A0 A1 A2 A3 A4 I/O1 1024X8 A5 I/O2 A0 A6 I/O3 CS I/O6 A8 I/O7 R/W A9 I/O8 1024X4 CS A0 R/W A1 A2 A3 I/O5 A4 A5 I/O6 A6 I/O7 A7 I/O8 A8 A9 CS R/W CIRCUITO FINAL

SOLUÇÃO APRESENTADA NO LIVRO . IO7 I00 (CS)' A9 (WE)' A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 WE CS IO0 IO1 IO2 IO3 RAM 1KX4

9.5 ASSOCIANDO MÉMORIAS RAM CASO 2: Construindo um circuito equivalente com 2048x4, usando “ Chips” com 1024x4 1024X4 2048X4 E N D R Ç O S A0 A0 A1 A1 A2 A2 A3 A3 A4 I/O1 A4 A5 A5 I/O1 I/O2 A6 Entradas/ Saídas A6 ? I/O2 I/O3 A7 A7 I/O3 I/O4 A8 A8 I/O4 A9 A9 A10 CS CS R/W R/W O que queremos obter SOLUÇÃO: Colocar um “edifício” em cima do outro. Ou seja, também vamos usar dois circuitos com 1024x4. Associação Vertical

1024X4 A0 A1 A2 A3 A4 I/O1 2048x4 A5 I/O2 A0 A6 I/O3 A1 A7 I/O4 A2 A8 A3 A9 A4 I/O1 A5 I/O2 A6 ? I/O3 A7 CS I/O4 A8 R/W A9 A10 1024X4 CS A0 R/W A1 A2 A3 O que queremos obter A4 I/O1 A5 I/O2 A6 I/O3 A7 I/O4 A8 A9 O que fazer? Interligar todas os terminais similares, de mesma natureza, menos as entradas (CS)´ que serão usadas para gerar a nova entrada A10. CS R/W

? CIRCUITO FINAL Note que falta o (CS)´ 1024X4 A0 A1 A2 A3 A4 I/O1 A5 R/W I/O1 A6 I/O3 I/O2 A7 I/O4 I/O3 A8 I/O4 A9 1024X4 A10 A0 A1 A2 A3 I/O1 R/W A4 I/O2 A5 I/O3 Note que falta o (CS)´ A6 I/O4 A7 A8 A9 CS R/W CIRCUITO FINAL

SOLUÇÕES APRESENTADAS NO LIVRO . A10 A0 (WE)' RAM1KX4 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 WE CS IO0 IO1 IO2 IO3 2048 X 4

SOLUÇÃO COM ENTRADA (CS)´ . A10 A0 (WE)' RAM1KX4 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 WE CS IO0 IO1 IO2 IO3 2048 X 4

SOLUÇÃO COM ENTRADA (CS)´ USANDO DECODIFICADOR 5V 74LS138 A2 Q7 A1 Q6 A0 Q5 (CS)' Q4 Q3 E3 Q2 E2 Q1 E1 Q0 A10 . . . . . . A0 A0 A0 A1 A1 A2 A2 A3 IO3 A3 IO3 A4 IO2 A4 IO2 A5 IO1 A5 IO1 A6 IO0 A6 IO0 A7 A7 A8 A8 A9 A9 CS CS WE WE RAM1KX4 RAM1KX4 (WE)' SOLUÇÃO COM ENTRADA (CS)´ USANDO DECODIFICADOR

9.6 MEMÓRIAS COM ACESSO SEQüENCIAL (“Sequencial Access Memory” - SAM)