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Memórias: Uma visão geral sobre dispositivos de armazenamento

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  • 1. -1- MEMÓRIAS: UMA VISÃO GERAL SOBRE DISPOSTIVOS DE ARMAZENAMENTO Bruno Machado da Silva ¹ Jerônimo Medina Madruga ² Mateus Vilar do Santos ³ Resumo Nesse trabalho visamos obter uma visão geral sobre os conceitos de memória, odispositivo responsável por armazenar dados em sistemas computadorizados, desde os tiposde memória, as diferenças entre RAM e ROM, as tecnologias de construção, a hierarquia dememórias e abordar também o funcionamento de uma memória hipotética. Com isso, visamosaprofundar nossas bases cientificas sobre um dos elementos mais importantes na área dacomputação e por assim ser aprimorar nossos conhecimentos acadêmicos na área. Introdução A memória em um sistema computadorizado tem uma função vital: guardar asinformações que deverão ser lidas pelo processador, como dados ou instruções a seremexecutadas. Por isso, a quantidade de memória em um sistema pode determinar o tamanhodas aplicações que poderão ser executadas nesse sistema, além de a velocidade de acesso asmemórias influenciar diretamente no desempenho do computador. Por isso a uma constanteevolução nas tecnologias empregadas para a implementação de memórias, melhorando avelocidade de acesso e capacidade de armazenamento, além do desenvolvimento de técnicasde software que visa aproveitar o máximo o recurso oferecido pelas memórias, como osconceitos de localidade temporal e de localidade espacial, que serão discutidos nos tópicos aseguir. Tipologia de memória Podemos utilizar diversos critérios para classificar as memórias, mas o maisinteressante para nossa análise usa como referência o tipo de endereçamento das memórias,classificando-as em duas categorias: - Memórias primárias: são memórias que o processador pode endereçar diretamente,sendo vitais para a operação do computador. Elas geralmente atuam como uma ponte para assecundárias, mas a sua função principal é a de conter a informação necessária para o1 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade Federal de Pelotas. Contato: torate@gmail.com2 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade Federal de Pelotas - Tecnólogo em sistemas de telecomunicações;Centro de educação Tecnológica de Pelotas. Contato: jeronimo.madruga@gmail.com3 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade federal de Pelotas. Contato: mateus.santos@gmail.com
  • 2. -2-processador num determinado momento, como os programas em execução em uma estaçãode trabalho. Nesta categoria estão a memória RAM e memória ROM. - Memórias secundárias: memórias que não podem ser endereçadas diretamente,sendo assim a informação precisa ser carregada na memória primária antes de poder seracessada pelo processador. Não são estritamente necessárias para a operação do computadore são, geralmente não-voláteis, permitindo guardar os dados permanentemente. Incluem-se,nesta categoria, os discos rígidos, mídias ópticas e disquetes. Memória ROM X Memória RAM Apesar de as memórias ROM e as memórias RAM serem classificadas como memóriasprimarias, existem diversas diferenças tanto na tecnologia empregada na construção dasmemórias quanto no funcionamento delas, o que nos leva a fazer uma classificação bemdistinta entre elas como pode ser visto a seguir: Memória ROM: ROM é a sigla para Read Only Memory (memória somente de leitura).Pelo nome, é possível perceber que esse tipo de memória só permite leitura, ou seja, suasinformações são gravadas pelo fabricante uma única vez e após isso não podem ser alteradas.Mas esse conceito já está ficando desatualizado, se observarmos os tipos de memória ROMque serão citados a seguir: - PROM (Programmable Read Only Memory) - um dos primeiros tipos de memóriaROM, o PROM tem sua gravação feita por aparelhos especiais que trabalham através de umareação física com elementos elétricos. Os dados gravados na memória PROM não podem serapagados ou alterados. - EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) - esse é um tipo de memóriaROM geralmente usado para armazenar a BIOS do computador. A tecnologia EPROM permitea regravação de seu conteúdo através de equipamentos especiais. - EAROM (Electrically Alterable Read Only Memory) - são memórias similares àEPROM (também conhecidas como EEPROM ou E2PROM). Seu conteúdo pode ser apagadoaplicando-se uma voltagem específica aos pinos de programação. Um fato importante a ser citado é que, atualmente, usa-se um tipo diferente dememória ROM. Trata-se da FlashROM, um tipo de chip de memória para BIOS de computadorque permite que esta seja atualizada através de softwares apropriados. A tecnologia flashutilizada na fabricação da FlashROM tem como vantagem sobre a EEPROM a velocidade deacesso mais rápido, já que esse tipo de tecnologia não endereça byte a byte a memória (comoocorre nos tipos mais primitivos de ROM), mas sim em blocos de tamanho variado, o quepermite uma velocidade de acesso muito maior.1 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade Federal de Pelotas. Contato: torate@gmail.com2 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade Federal de Pelotas - Tecnólogo em sistemas de telecomunicações;Centro de educação Tecnológica de Pelotas. Contato: jeronimo.madruga@gmail.com3 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade federal de Pelotas. Contato: mateus.santos@gmail.com
  • 3. -3- Memória RAM: RAM é a sigla para Random Access Memory (memória de acessoaleatório). Este tipo de memória permite tanto a leitura como a gravação e regravação dedados. No entanto, assim que elas deixam de ser alimentadas eletricamente, ou seja, quando ousuário desliga o computador, a memória RAM perde todos os seus dados. Basicamenteexistem 2 tipos de memória RAM: estáticas e dinâmicas e as veremos a seguir: - DRAM (Dynamic Random Access Memory): são as memórias do tipo dinâmico egeralmente são armazenadas em cápsulas CMOS (Complementary Metal OxideSemiconductor). Memórias desse tipo possuem capacidade alta, isto é, podem comportargrandes quantidades de dados. No entanto, o acesso a essas informações costuma ser maislento que o acesso à memórias estáticas. As memórias do tipo DRAM costumam ter preçosbem menores que as memórias do tipo estático. Isso ocorre porque sua estruturação é menoscomplexa, ou seja, utiliza uma tecnologia mais simples. - SRAM (Static Random Access Memory): são memórias do tipo estático. São muitomais rápidas que as memórias DRAM, porém armazenam menos dados e possuem preçoelevado se compararmos o custo por MB. As memórias SRAM costumam ser usadas em chipsde cache. Hierarquia de Memória A velocidade dos dispositivos de memória pode variar, de acordo com a tecnologiautilizada em sua implantação. Infelizmente, quanto mais rápida a memória, maior seu custo, oque impede que a memória primária seja integralmente implementada com módulos tão rápidosquanto o processador. Existem também limitações de natureza tecnológica, especialmente oconsumo de energia e o calor emitido pela memória rápida. Para impedir que a memória primária se torne um gargalo no desempenho do sistema,uma hierarquia de memória é criada, em que diversas tecnologias de memória são associadas. Os tipos de memória mais rápidos do computador são os registradores do CPU, queservem desde armazenar endereços da instrução sendo executada ao armazenamento atémanipulação de dados para propósitos gerais. No entanto esse tipo de memória tem umacapacidade de armazenamento baixíssima e um custo altíssimo. A segunda mais rápida é a memória cache, que é tão veloz quanto o processador. Amemória cache é de tamanho limitado, e contém páginas que são lidas da memória principal. Oconceito de cache se aproveita do fenômeno da localidade espacial (que consiste em assumirque normalmente quando um endereço de memória é acessado, os endereços vizinhos serãoacessados em seguida). A memória principal é bem maior que a cache, normalmente entre algumas dezenas demegabytes até alguns gigabytes. Ela é mais lenta que o processador, e pode se tornar um sérioimpedimento ao desempenho do computador na ausência da memória cache, ou em algoritmosem que não há localidade espacial.1 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade Federal de Pelotas. Contato: torate@gmail.com2 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade Federal de Pelotas - Tecnólogo em sistemas de telecomunicações;Centro de educação Tecnológica de Pelotas. Contato: jeronimo.madruga@gmail.com3 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade federal de Pelotas. Contato: mateus.santos@gmail.com
  • 4. -4- Finalmente, a memória virtual é implementada na memória secundária. Embora seutamanho seja limitado apenas pela capacidade de endereçamento do processador (podendoatingir vários gigabytes), ela chega a ser 1.000.000 de vezes mais lenta que a memóriaprincipal. Para que o computador tenha um desempenho aceitável, é preciso que astransferências de páginas entre a memória principal e a virtual sejam bastante raras, pois otempo perdido em uma dessas transferências seria suficiente para executar milhões deinstruções. Esse pode ser descrito como um esquema simplificado da arquitetura de memória,visto que nos computadores atuais já podemos encontrar diversos níveis de cache ou aindavários caches especializados. Tecnologias de Implementação de memória As principais tecnologias de implementação de memórias utilizadas atualmente são: - Portas lógicas e flip-flops, usados na implementação da memória cache. - Transistores e circuitos de refrescamento, usados na implementação da memóriaprincipal. - Arranjos de conexões, utilizados na implementação de certas ROMs. - Fitas magnéticas, utilizadas principalmente para cópias de segurança e arquivamentoa longo prazo. - Discos magnéticos, como discos rígidos e disquetes, a principal tecnologia deimplementação de memória secundária. - Discos ópticos, como CDs e DVDs, e suas diversas variações. - Memória flash, um tipo de memória semicondutora não volátil muito usada emcâmeras digitais, leitores de MP3 e na BIOS do pc. Existem também tecnologias que foram usadas no passado, mas tornaram-seobsoletas: - Memórias de tecnologia delay line, uma das primeiras tecnologias de memóriaprincipal, que armazenavam os dados na forma de pulsos sonoros em uma coluna de mercúrio. - Memórias CRT, também chamadas de Williams-tube, um tipo de memória que usavaum tubo CRT para armazenar dados na forma de pontos luminosos. - Memórias de núcleo de ferrite, uma tecnologia popular de implementação da memóriaprincipal nas décadas de 1940 e 1950. - Memórias de filme fino, uma melhoria da tecnologia de núcleo de ferrite, utilizada emalguns computadores na década de 1960. - Cartões e fitas perfuradas, que já foram os principais meios de memória não-volátil.1 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade Federal de Pelotas. Contato: torate@gmail.com2 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade Federal de Pelotas - Tecnólogo em sistemas de telecomunicações;Centro de educação Tecnológica de Pelotas. Contato: jeronimo.madruga@gmail.com3 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade federal de Pelotas. Contato: mateus.santos@gmail.com
  • 5. -5- Funcionamento de uma memória Apesar das diversas tecnologias que podem ser utilizadas para implementar umamemória, o funcionamento lógico das memórias costuma não variar muito. Normalmente asmemórias são diversas células de memória interligadas entre si, visando obter a quantidadenecessária de memória para o sistema em questão. Essas várias células de memória serãoorganizadas de uma forma semelhante a uma matriz, formando um sistema com linhas ecolunas. Visto que nenhum sistema computadorizado tem a capacidade de ler todas as posiçõesde memória ao mesmo tempo, foi necessário a implementação de um sistema de endereçospara referenciar cada posição de memória individualmente. Esse sistema consiste emendereçar uma célula de memória de acordo com a linha e a coluna em que ela se encontra,possibilitam assim que cada célula de memória seja lida individualmente. Normalmente para implementar esse tipo de estrutura, é necessário um decodificadorde endereços, um barramento de endereços, e uma estrutura de seleção que pode serimplementada na célula de memória através de portas lógicas. Além de ser necessário esse sistema para endereçar a memória, também é necessárioum sistema para verificar se a operação é de leitura ou escritura, que pode ser representadosimplesmente por um sinal de controle de leitura e uma estrutura de seleção de operação a serrealizada, que é implementada na maioria das vezes utilizando algumas portas lógicas e umbuffer na saída da memória, o que também facilita para a criação de um barramento de dados,visto que o buffer adiciona a opção do terceiro estado para a saída da memória. Referências bibliográficashttp://eden.dei.uc.pt/~ctp/papers.htmhttp://paginas.terra.com.br/servicos/monografiaabnt/metodologia.htmhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Computadorhttp://www.infowester.com/memddr.phphttp://www.virtual.pucminas.br/CIETE/e0m0006b/informacao.htmhttp://www.ufpel.edu.br/%7Eguntzel/AOC2/AOC2_aula12.pdfhttp://computer.howstuffworks.com/computer-memory.htmhttp://en.wikipedia.org/wiki/Computer_storageRaul Fernando Weber, Fundamento de Arquitetura de Computadores.David A. Patterson, et alli., Organização e Projeto de Computadores.1 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade Federal de Pelotas. Contato: torate@gmail.com2 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade Federal de Pelotas - Tecnólogo em sistemas de telecomunicações;Centro de educação Tecnológica de Pelotas. Contato: jeronimo.madruga@gmail.com3 – Bacharelando em Ciência da Computação; Universidade federal de Pelotas. Contato: mateus.santos@gmail.com