Memórias semicondutoras mais comuns

1. Introdução

Um circuito que permite o armazenamento de um ou mais bits por tempo indeterminado é denominado memória. Tais bits podem ser acessados (procedimento de leitura) ou substituídos (procedimento de escrita ou armazenamento).

2. Tipos de Memória

O desenvolvimento e expansão da tecnologia de fabricação de circuitos integrados para armazenamento de dados determinaram o grande avanço dos computadores digitais. Até 1970, as memórias de núcleo de ferrite eram de uso corrente. Entretanto, por causa do seu alto custo, grande consumo e limitações em velocidade forma substituídaspelas memórias semicondutoras que lideram o mercado até hoje.

3 Características gerais

A seguir apresentamos algumas características que podem ser usadas quando queremos avaliar o desempenho de um determinado dispositivo de memória.

3.1 Densidade:

Número de bits armazenados por área física. Está relacionado à capacidade total de armazenamento.

3.2 Velocidade:

Se refere à rapidez com que os dados podem ser acessados (lidos) ou armazenados (escritos).

3.3 Potência:

Potência consumida ou dissipada pela memória.

3.4 Custo:

Custo para armazenamento por bit, ou seja, o valor do semicondutor dividido pelo número de bits que pode armazenar. Outras características são fornecidas especificamente por cada fabricante de circuito integrado, tais como os sinais de comandos, parâmetros elétricos e imunidade a ruídos.

4. Definições

No manuseio com memórias a semicondutor é comum o uso de expressões referentes aos modos de operação, aos terminais de entrada/saída, à capacidade de armazenamento e a sinais de controle.

Escrita (Write): Termo usado para o procedimento de armazenamento de uma informação binária na memória. Em uma operação de escrita, a informação colocada nas entradas de dados é copiada para uma posição ou endereço da memória.

Leitura(Read): Termo usado para o procedimento de obtenção, ou busca, de uma informação armazenada em uma memória. Em uma operação de leitura, a informação é armazenada na posição correspondente às entradas de endereço e copiada nos bits de saída.

Conteúdo ou palavra: Corresponde à informação – grupo de bits – armazenada em uma determinada posição da memória.

Entradas de endereço (Address): Correspondem aos terminais do circuito integrado usados para identificar um certa posição de memória.

Entradas de dados (Datas): Correspondem aos terminais do circuito integrado usados para introdução dos dados a serem armazenados.

Saída de dados (Outputs): Correspondem aos terminais do circuito integrado onde serão colocados os dados armazenados em uma dada posição da memória, em uma operação de leitura.

Nibble: Termo usado para uma informação binária com 4 bits.

Byte: Termo usado para uma informação binária com 8 bits.

Kilobyte: Termo usado para um conjunto de 1024 bytes

Memória volátil: É aquela que perde o seu conteúdo na ausência de alimentação.

Memória Fixa: É aquela que não perde o seu conteúdo na ausência de alimentação.

Habilitação de chip (Chip enable): Uma entrada do chip que, quando polarizada convenientemente, habilita ou inibe a operação do chip provocando uma redução na potência dissipada e impedindo a operação escrita/leitura. Normalmente tais entradas são designadas por:

CE (quando a habilitação é com nível 1) ou CE (quando a habilitação é

com nível 0). Nem todos os chips possuem este tipo de entrada.

Seleção do chip (Chip select): Uma entrada do chip usada para conectar ou desconectar – colocar as saídas em alta impedância – as entradas/saídas a um barramento. Normalmente tais entradas são designadas por

CS (quando a habilitação é com nível 1) ou CS (quando a habilitação é com nível 0). A maioria dos chips possue este tipo de entrada. Em alguns circuitos as entradas CE e CS são combinadas em uma única entrada.

5. Classificação

O critério para a escolha das memórias disponíveis no mercado é descrito a seguir:

5.1 Quanto à forma de acesso

As principais formas de acesso à uma posição de memória podem ser do tipo Aleatório ou seqüencial.
Nas memórias do tipo aleatório, qualquer posição pode ser acessada aleatoriamente, ou seja, pode ser lida diretamente sem a necessidade da leitura das demais posições. Caso, por exemplo, das memórias RAM e ROM, descritas a seguir. Nas memórias seqüenciais, uma posição não pode ser feita diretamente. Neste caso, várias posições da memória são acessadas até a informação desejada, é o caso das fitas magnéticas, dos registradores de deslocamento e das memórias de bolha magnética. O tempo para ler uma informação em uma memória seqüencial depende da posição de armazenamento.

5.2 Quanto à tecnologia

Normalmente as memórias são do tipo bipolar, MOS (semicondutor de óxido metálico) ou CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar). No caso das memórias bipolares, encontramos com facilidade circuitos TTL padrão, Schottky e ECL. No caso dos circuitos MOS, os de canal N são os mais usados por favorecerem grande densidade a custo baixo. As memórias CMOS são mais lentas do que as NMOS e bipolares, contudo são de menor consumo e maior imunidade ao ruído.

5.3 Quanto a capacidade de armazenamento

Este parâmetro está relacionado ao número total de bits ou palavras que a memória pode armazenar. Por exemplo, uma memória com 1024 X 8 corresponde a uma capacidade de 1024 palavras, cada uma com 8 bits, ou seja, com capacidade para 8192 bits.

5.4 Quanto ao tipo de saída

As saídas das memórias podem ser do tipo Totem-polem, Open collector ou Treestate. As memórias do tipo Three-state são as mais usadas por permitirem, de forma eficiente, a criação de bancos de memória descritos adiante.

6. Memórias RAM

As memórias RAM (Random Access Memory) são do tipo volátil e permitem o acesso aleatório – para escrita ou leitura – a qualquer uma das suas posições. São usadas para armazenar temporariamente as informações, tais como os programas corrente do usuário. Também são conhecidas como memórias read/write porque permitem a leitura e escrita de dados. tempo de acesso para cada posição das memórias RAM é aproximadamente igual. A seguir apresentamos algumas características das memórias RAM.

6.1 RAM estática

Um dispositivo de armazenamento volátil com tecnologia bipolar ou MOS (NMOS e CMOS) onde os bits são armazenados em uma estrutura tipo flip-flop.

6.2 RAM dinâmica

Um dispositivo de armazenamento volátil com transistores MOS, onde a estrutura de armazenamento é capacitiva. Neste caso, a informação se perde com o tempo, independentemente da manutenção da alimentação – razão do nome dinâmica. Por esta razão, precisa passar periodicamente por um processo de refrescamento (refreshing), onde as informações são lidas e regravadas (recarga dos capacitores). Isto implica na necessidade de circuitos externos específicos. Normalmente a operação de refrescamento é feita durante uma operação de leitura, através de um circuito projetado especificamente para este fim.Apesar de a necessidade de refrescamento, a grande vantagem das memórias dinâmicas sobre as estáticas é permitir uma grande densidade de fabricação dos chips -quatro vezes maior que as estáticas – com baixo consumo que é da ordem de três a cinco vezes menor do que as estáticas.

7. Memórias ROM

As memórias ROM (Read Only Memory) são do tipo fixa e permitem o acesso aleatório a qualquer uma das suas posições. Permite apenas leitura do conteúdo e é destinada a guardar uma informação de forma permanente. A informação é gravada pelo fabricante através da queima de diodos em uma matriz (Figura 3) conforme solicitação do usuário. Podem ser do tipo bipolar ou MOS. Quando a matriz é manufaturada, diodos são colocados em todos os cruzamentos. Através de um processo próprio, os diodos são queimados convenientemente. Se, a cada instante, apenas uma das linhas x,y,z ou w assume nível 1, os diodos destas linhas são polarizados diretamente através dos resistores

7.1 PROM – ROM programável pelo usuário

Uma memória bipolar onde o armazenamento é feito pelo usuário – agilizando os processos industriais – através da queima de diodo ou de um fusível colocado em série com o diodo, ou seja, o armazenamento não ocorre durante a fabricação do chip. O procedimento para a queima dos diodos é fornecido pelos fabricantes e específico para cada circuito. Note que, uma vez programada, a memória não pode ser apagada para correções ou nova utilização.

7.2 ROM alterável

Memórias que podem ser programadas e reprogramadas pelo usuário, ou seja, em casos de erros de programação o chip não precisa ser descartado, como nas memórias PROM. A programação é feita pela aplicação de sinais elétricos convenientes em pinos do chip e indicados pelos fabricantes.

7.2.1 EPROM – Erasable PROM

Um dispositivo com arquitetura similar às PROM, mas do tipo MOS, onde o conjunto inteiro das informações armazenadas pode ser apagado através da aplicação de raios ultravioletas em uma janela de quartzo localizada em uma das faces do chip. É implementada usando o princípio de armazenamento do tipo Floating-gate Avalanche Injection MOS (FMOS). Em um transistor PMOS, um potencial negativo aplicado ao gate produz um canal de condução de cargas positivas (buracos) entre a fonte e o dreno. No transistor FMOS, para causar a condução da fonte para o dreno e o conseqüente armazenamento de cargas negativas no gate, devemos aplicar um pulso da ordem de 25 a 50 volts na junção p-n (dreno/fonte). Cerca de 20 a 30% da carga armazenada se perde depois de 20 anos.

7.2.2 E2PROM – Electrically Erasable ROM

Neste tipo de memória, tanto a gravação como a desgravação é feita por sinais elétricos. O principal meio de implementação é o Metal Oxide Semicondutor NMOS. Na verdade é um MOS modificado onde é usado um capacitor de carga que alcança um tempo de armazenamento entre 20 a 30 anos. Uma tensão elevada e da ordem de 20V entre porta e dreno provoca a indução de cargas nas portas flutuantes que ali permanecem quando a tensão é retirada. Uma tensão inversa apaga a carga armazenada. Desta forma, tanto a programação como o apagamento pode ser feito por posições de memória. Não é preciso apagar toda a memória para corrigir algum dado ou usar a memória com novos valores. Os tempos de chaveamento em uma memória são complicados. Tais tempos são

devido aos atrasos nas portas internas, às restrições impostas pelos tempos de manutençãon e preparação de flip-flops e ao grande número de terminais.

Existem outros tipos de memérias, sóque não irei entrar em detalhes sobre elas enste momento.