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Eletrônica Digital II ELT013

Eletrônica Digital II ELT013. Engenharia de Computação. Aula 5. Dispositivos de memória PARTE II. Memória FLASH. 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

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Presentation Transcript

  1. Eletrônica Digital IIELT013 Engenharia de Computação

  2. Aula 5 Dispositivos de memóriaPARTE II ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  3. Memória FLASH ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  4. 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) ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  5. 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  6. 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  7. 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  8. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  9. Diagrama Funcional de uma Memória Flash ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  10. Aplicações das ROMs (1) • Memória de programa de microcontroladoresdedicados • Sistemas automotivos de frenagem automática, celulares, micro-ondas, 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  11. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  12. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  13. RAM Semicondutora ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  14. 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 RAMsCMOS podem ser energizadas com baterias quando a fonte de energia principal é interrompida. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  15. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  16. 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  17. Processo de Leitura em um Registrador A entrada CHIP SELECTtambém temde estar ativada. Os buffers de entrada ficam desativados durantea leitura. Quando o valor do registrador estiver estabilizando no buffer a linha OE vai para 0 habilitando a saída. A entrada de ativação de escrita WE ou R/W deve estar como 1. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  18. Processo de Escrita em um Registrador A entrada CHIP SELECTtambém temde ser 0. Os buffers de saída tristate ficam em Hi-Z durante uma escrita de dados. A entrada de ativação de escrita WE ou R/W deve estar como 0. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  19. RAM ESTÁTICA (SRAM) ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  20. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  21. Diagrama de Tempo de Leitura • Diagrama de tempo para um ciclo de leitura completo para um chip RAM típico ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  22. 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  23. Diagrama de Tempo de Escrita ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  24. 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  25. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  26. RAM Dinâmica (DRAM) ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  27. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  28. Estrutura e Operação da RAM Dinâmica (1) 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 • A arquitetura interna da RAM dinâmica pode ser visualizada como um matriz de células de um único bit: ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  29. Arquitetura simplifica de uma DRAM típica • Palavras maiores também podem ser obtidas com arranjo entre memórias de um único bit. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  30. 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  31. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  32. 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 (rowaddress setup) • Endereço de coluna: CAS (columnaddress setup) Tempo de setup de coluna Tempo de setup de linha ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  33. 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 (rowaddressstrobe, RAS) armazena os conteúdos das entradas de endereço no registro de endereço de linha. • O strobe de endereço de coluna (columnaddressstrobe, CAS) armazena os conteúdos das entradas de endereço no registro de endereço de coluna. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  34. Ciclos de Leitura da RAM dinâmica ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  35. Ciclos de Escrita da RAM dinâmica ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  36. 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 refreshé usada para garantir que cada linha seja reavivada dentro do tempo limite: • No modo de rajada (burstrefresh) a operação de memória normal é suspensa e cada linha passa pelo refreshem sucessão até que todas as linhas tenham passado pelo processo. • No modo distribuído (distributedrefresh), o refreshdas linhas é intercalado com as operações normais da memória. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  37. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  38. Tecnologias DRAM ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  39. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  40. Tecnologias DRAM (2) • Módulos de memória: • SIMM (single in-linememory module): placa de circuito com 72 contatos de funcionalidade equivalente nos dois lados. • DIMM (dual-in-linememory module): de 168 a 240 pinos de funcionalidade única em cada lado. • SODIMM (small-outline, dual-in-linememory module): para aplicações compactas, como laptops. • RIMM (rambusin-linememory module): encapsulamento que carrega DRAM do tipo directrambus (DRDRAM). ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  41. Tecnologias DRAM (3) • FPM DRAM (fastpagemode - 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  42. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  43. 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 . ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  44. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  45. 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  46. 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 (magnetoresistiverandomaccessmemory, MRAM). ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  47. 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  48. Associação de Memórias ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  49. Expansão do tamanho da palavra ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

  50. 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 comouma única memória 16 x 8 e é chamado de módulodememória 16 x 8. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 5 - Dispositivos de Memória - Parte II

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