Memórias: Guia de RAM, DRAM, Cache e Flash

1) Memórias RAM

Tipos principais:

• Memórias regulares (XT e 286)
• Memória FPM (386 e 486)
• Memória EDO (486 e Pentium)
• SDR‑SDRAM
• DDR
• DDR2
• DDR3

Características gerais:

• Mais rápida que o HD e outros periféricos.
• Mais lenta que o processador.
• Composta por um conjunto de células organizadas em linhas e colunas, como numa planilha eletrônica.
• Um chip de memória serve apenas para armazenar dados.
• Existe um controlador de memória que pode ser incluído tanto no chipset quanto no próprio processador.

Acesso à memória

• O controlador gera o valor RAS (Row Address Strobe) — número da linha.
• Em seguida é gerado o valor CAS (Column Address Strobe) — corresponde à coluna.
• Quando o RAS é enviado, toda a linha é ativada simultaneamente; depois de um tempo de espera, o CAS é enviado fechando o circuito.
• Atualmente, qualquer dispositivo pode acessar a memória diretamente através dos barramentos (PCI Express, PCI, AGP).

Módulos SIMM

Na época dos 386 e 486 cada chip de memória lia um bit de cada vez. Os módulos de 30 vias eram compostos por 8 chips de memória, o que resultava na leitura de 8 bits por ciclo.

Módulos DIMM

Atualmente são geralmente utilizados 8 chips de 8 bits cada um, totalizando 64 bits fornecidos ao processador.

Defeitos em módulos de memória

• Defeitos são comuns e mais difíceis de detectar.
• A placa‑mãe pode ser responsável por vários erros, já que ela transporta os dados dos módulos de memória ao processador.
• Pode‑se utilizar o MemTest86.
• Endereço: http://www.memtest86.com
• Realiza um total de 9 testes. Os 8 primeiros são executados automaticamente e o último precisa ser ativado manualmente.

Desempenho da memória

Para melhorar o desempenho da memória RAM existem várias abordagens:

• Aumentar o número de bits lidos por ciclo, tornando o barramento mais largo (ex.: de 32 para 64 bits).
• Acessar dois ou mais módulos de memória simultaneamente (dual‑channel, triple‑channel).
• Criar módulos de memória mais rápidos (DDR2, DDR3).
• Velocidade: número de ciclos por segundo e latência (tempo que a primeira operação numa série de operações de leitura/escrita demora para ser concluída).

Modelo — Memórias RAM regulares

• Tipo mais primitivo.
• Acesso tradicional enviando o endereço RAS, depois o CAS e aguardando a leitura dos dados para o ciclo de leitura.
• Memória sincronizada com o clock da placa‑mãe.
• A partir do 386, a diferença de tempo obrigou a criação de memórias cache.

Modelo — Memória FPM

• FPM (Fast Page Mode): modo de paginação rápida.
• O endereço RAS é enviado e, em seguida, uma sequência de até 4 endereços CAS realiza uma série rápida de 4 leituras.
• O primeiro ciclo continua tomando o mesmo tempo, mas as três próximas leituras passam a ser mais rápidas.
• O burst pode ser prolongado de 4 para 8 ou até 16 leituras consecutivas.
• Ex.: placa‑mãe soquete 7, bus 66 MHz: FPM 6‑3‑3‑3.

Modelo — Memória EDO

• EDO (Extended Data Output): diferente da FPM, onde uma leitura não pode ser iniciada antes que a anterior termine; nas memórias EDO o controlador faz leituras enviando o endereço RAS e em seguida os 4 endereços CAS em uma frequência predefinida, sem esperar que o acesso anterior termine.
• Ex.: placa‑mãe soquete 7, bus 66 MHz.
• Tempo típico: 6‑2‑2‑2.

Modelo — Memória SDR‑SDRAM

• SDR (Synchronous Dynamic RAM): trabalha sincronizada com os ciclos da placa‑mãe, sem tempo de espera.
• Temporização típica: uma leitura por ciclo.
• Os tempos de acesso podem aparecer como 6‑1‑1‑1.
• Divisão dos módulos em vários bancos; apenas um banco pode ser acessado de cada vez, mas o controlador aproveita o tempo ocioso para refresh e pré‑carga dos demais bancos.
• A partir das memórias SDRAM, tornou‑se desnecessário falar em tempos de acesso, já que a memória trabalha sincronizada aos ciclos da placa‑mãe.
• Um módulo PC‑133 deve ser capaz de operar a 133 MHz, fornecendo teoricamente 133 milhões de leituras por segundo.
• O primeiro acesso continua levando 5, 6 ou 7 ciclos da placa‑mãe; continuam realizando apenas uma transferência por ciclo.

Modelo — Memória DDR

• As memórias DDR implementam um método que as torna capazes de realizar duas transferências por ciclo, sendo quase duas vezes mais rápidas que as SDR, mesmo mantendo a mesma frequência de operação. DDR = Double Data Rate.
• Os chips DDR incluem circuitos adicionais que permitem gerar comandos de acesso e receber dados duas vezes por ciclo de clock, executando uma operação no início e outra no final do ciclo.
• As células de memória continuam operando na mesma frequência. Em um módulo DDR‑266, por exemplo, as células operam a 133 MHz (como num PC‑133).

Modelo — Memória DDR2

• As DDR2 duplicam novamente a taxa de transferência, realizando agora 4 operações por ciclo. As células de memória continuam trabalhando na mesma frequência, mas os buffers de entrada/saída operam em frequência superior.
• Um burst de 8 leituras em DDR2 demoraria aproximadamente 6,75 ciclos de clock (ex.: 5‑¼‑¼‑¼‑¼‑¼‑¼‑¼ em termos de frações de ciclo).
• A diferença é maior em aplicativos que manipulam grandes blocos de dados e menor em leituras de pequenos blocos espalhados; a transferência prática nem sempre dobra.
• Muitos programas mostram a frequência vista pelos circuitos de entrada (dobrada), não a frequência real das células.

Modelo — Memória DDR3

• As memórias DDR3 realizam 8 acessos por ciclo, contra 4 acessos por ciclo das DDR2.
• Assim como nas gerações anteriores, não há necessidade de aumentar a frequência real das células; os acessos são realizados por buffers e circuitos auxiliares.

Limite de 3 GB

• O limite de 640 KB foi utilizado nos primeiros PCs.
• A memória RAM era muito cara; a utilização de 256 KB era comum.
• Mesmo com 1 MB, os primeiros 640 KB ficavam disponíveis e o restante era utilizado para cache de BIOS e da memória da placa de vídeo.
• Não é recomendável utilizar mais do que 3 GB em sistemas de 32 bits, pois o sistema operacional endereça memória de diversos dispositivos.
• O Windows Vista, por exemplo, tem um limite máximo de aproximadamente 3,12 GB.
• Os programas Windows utilizam um limite de ~2 GB por aplicativo (em muitos sistemas de 32 bits).

2) Memória DRAM

Memória RAM dinâmica (DRAM)

• Armazena os bits através de minúsculos capacitores.
• Utiliza refresh para recarga dos capacitores.
• Barata.
• Fácil integração.
• Baixo consumo.
• Lenta, pois necessita de refresh.

3) Memória Cache

• Utiliza circuitos digitais (SRAM).
• Não necessita de refresh.
• Cache de memória (níveis L1, L2, L3).
• Mais cara.
• Difícil integração.
• Alto consumo.
• Rápida.

4) Memória Flash

Características gerais:

• Armazena dados por longos períodos sem precisar de alimentação elétrica.
• Uso: cartões de memória, pendrives, SSDs, memória de câmeras, celulares, palmtops, etc.

Modelo — Memória Flash NOR

• NOR: chegou ao mercado em 1988. Os chips Flash NOR possuem uma interface de endereços similar à da memória RAM.
• Bastante usada em palmtops, celulares e diversos dispositivos para armazenar o sistema operacional (firmware), carregado no boot e raramente alterado.
• Em muitos casos, a memória também armazena dados e configurações que podem ser perdidos quando a carga da bateria se esgota completamente.

Modelo — Memória Flash NAND

• Cada célula é composta por transistores com uma fina camada de óxido de silício que armazena cargas — uma espécie de armadilha de elétrons que mantém os dados sem necessidade de alimentação ou refresh periódico.

5) Outros tipos de memórias

Memória CompactFlash

Usada por algumas câmeras Canon (segmento profissional) e em sistemas embarcados, onde a boa taxa de transferência dos cartões CF é vantajosa.

Memória SmartMedia

Em 1995 a Toshiba lançou o formato SmartMedia (SM), um formato simples onde o chip de memória é acessado diretamente, sem o uso de um controlador adicional.

Memória Memory Stick

O Memory Stick alcançou certa longevidade, mas ficou restrito aos produtos Sony. Existem também formatos Memory Stick Duo, Pro, Pro Duo, Micro e Pro‑HG.

6) Memória ROM

• BIOS: ensina o processador a trabalhar com os periféricos básicos do sistema.
• POST: autoteste efetuado ao ligar o micro.
  • Identificação da configuração instalada.
  • Inicializa os circuitos existentes.
  • Testa a memória, o teclado e carrega o sistema operacional para a memória.
  • Passa o controle para o sistema operacional.
• SETUP: configuração de hardware.

Modelo — Mask‑ROM

Memória gravada na fábrica do circuito integrado. Não é possível apagar ou regravar seu conteúdo.

Modelo — PROM

Memória gravada pelo fabricante do dispositivo; pode ser programada uma única vez.

Modelo — EPROM

Gravada pelo fabricante ou pelo usuário; seu conteúdo pode ser apagado através de luz ultravioleta.

Modelo — EEPROM

O apagamento não é feito através de luz, e sim através de impulsos elétricos.

Modelo — Flash‑ROM

EEPROM que permite a reprogramação de seu conteúdo via software.