Eletrônica Digital II ELT013

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Engenharia de Computação

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DISPOSITIVOS DE MEMÓRIAAula 4

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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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Memórias em Sistemas Computacionais (2) Outra forma de armazenamento é realizada pela memória

auxiliar, separada da memória principal. Memória de acesso mais lentoTambém chamada

memória de massa, possui capacidade

para armazenar quantidadesgrandes de dadossem 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 palavraspossui 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 escrita1. 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.2. Um decodificador de endereço ativa a entrada enable do dispositivo de memória

(CE ou CS).3. A CPU coloca os dados a serem armazenados nas linhas do barramento de dados. 4. A CPU ativa as linhas de sinal de controle apropriadas para a operação de

gravação de memória (escrita).5. Os CIs de memória decodificam internamente o endereço binário para determinar

a localização selecionada para a operação de armazenamento.6. Os dados no barramento de dados são transferidos para a localização de memória

selecionada.

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Processo de operação de leitura1. 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.2. Um decodificador de endereço ativa a entrada enable do dispositivo de memória

(CE ou CS).3. A CPU ativa as linhas de controle apropriadas para a operação de leitura de

memória, que geralmente ficam conectadas ao CI de memória.4. Os CIs de memória decodificam internamente o endereço binário para

determinar a localização que está sendo selecionada para leitura.5. 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 LeituraROM – 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 dadosPelo 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

A3...A0 → 24 = 16 palavras D7...D0 → 8 bits 16 x 8 = 16 bytes = 128 bits

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 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 Leitura1. Aplicar a entrada de endereço apropriada2. Ativar as entradas de controle

Caso CS mantida em nível ALTO as saídas da ROM ficam desabilitadas no estado de alta impedância

Memória coloca dado na saídaD7...D0 = 11101101

Ativar entrada de controleCS = nível BAIXO

Entradas de EndereçoAplicar A3...A1 = 0111

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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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Arquitetura Interna da ROM (3)

Qual registrador está a palavra buscada pelo endereço 0111?

0

1

1

1

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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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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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EPROMModos 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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Electrically Erasable PROM - EEPROM

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PROBLEMAS PROPOSTOS

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Problemas Propostos Seção 12.1 a 12.6