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B. Piropo
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25/08/2007
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Mais conceitos sobre memória
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Até o momento, no que diz respeito à memória dos computadores, já discutimos os conceitos de < http://www.forumpcs.com.br/viewtopic.php?t=212493 > “posição de memória” (e as idéias correlatas de “unidade de armazenamento” e “unidade endereçável”), < http://www.forumpcs.com.br/viewtopic.php?t=212957 > “localização”, < http://www.forumpcs.com.br/viewtopic.php?t=213770 > “métodos de acesso” e < http://www.forumpcs.com.br/viewtopic.php?t=215992 > “unidade de transferência”. Dos conceitos genéricos sobre memória falta apenas abordarmos a “capacidade”, o “tipo físico”, as “características físicas” e o “desempenho”. Pois vamos a eles.

Antes, porém, uma observação. Alguns dos conceitos genéricos citados abaixo adquirem importância especial quando abordados em certos contextos (por exemplo: o parâmetro “taxa de transferência de dados” é vital para a medida do desempenho de barramentos) e serão detalhados mais adiante, quando o tema correspondente for discutido. Hoje faremos apenas uma abordagem superficial que nos fornecerá uma visão panorâmica do tema “memória” para ajudar a abordagem detalhada que faremos nas próximas colunas.

Capacidade

Um conceito importante, embora óbvio, é a “capacidade” da memória. Por “capacidade” entende-se a quantidade de informações que pode ser armazenada em um dispositivo, seja ele de memória primária ou secundária (veja a coluna < http://www.forumpcs.com.br/viewtopic.php?t=212957 > “Computadores XXXIV: Localização da memória”).

Em geral, qualquer que seja o dispositivo de armazenamento, sua “capacidade de memória” é medida em bytes e seus múltiplos (veja a coluna < http://www.forumpcs.com.br/viewtopic.php?t=120611 > “Computadores II: Bits e Bytes”). E, quanto a isto, um ponto merece atenção especial: no que diz respeito aos múltiplos do byte, fique atento ao critério usado para quantificar os prefixos “quilo”, “mega”, “giga”, “terá”, etc.: como discutido na coluna acima citada, quando eles se referem à capacidade da memória primária, ou interna, sempre representam potências de 1024 (1 KB = 1024 bytes; 1 MB = 1024 x 1024 bytes e assim por diante). Mas quando se referem à memória secundária ou externa, especialmente quando a capacidade é divulgada pelo fabricante do dispositivo, em geral representam potências de 1000.

Fora isto, o conceito de capacidade da memória é tão corriqueiro que no que toca a ele não há muito a acrescentar: a capacidade instalada corresponde ao número de bytes que podem ser armazenados nos dispositivos de memória que integram o computador e temos conversado.

Tipo físico

O tipo físico da memória depende da tecnologia de fabricação, ou seja, do material e da técnica usados para armazenar as informações. No momento há três tipos dominantes: memórias de semicondutores, memórias de meio magnético e memórias de meio ótico. Mas nada impede que dentro de algum tempo novos tipos venham a surgir e alguns destes venham a entrar em obsolescência como ocorreu com as memórias de núcleo magnético, que foram introduzidas em 1954 para equipar a primeira geração dos computadores digitais (a válvulas), dominaram rapidamente o mercado de então e desapareceram na segunda metade dos anos setenta do século passado.

Memórias de semicondutores: memórias de semicondutores são circuitos integrados (CIs, ou “chips”) nos quais as células de memória (dispositivos elementares capazes de armazenar um bit) são constituídas de semicondutores (basicamente transistores) interligados.  Existem diversos tipos que usam diferentes tecnologias de fabricação. Estes tipos, sua organização, função e tecnologia de fabricação serão discutidos adiante quando abordarmos detalhadamente o tópico “memória principal”.

Figura 1: CIs de memória de semicondutores.

Isto porque até recentemente as memórias de semicondutores eram usadas quase que exclusivamente para emprego na memória interna, ou principal, e seus circuitos auxiliares (registradores e memórias cache). Porém, com o advento das memórias tipo “flash” (um tipo de memória não volátil – veja adiante – fabricada com semicondutores) começaram a surgir os dispositivos de memória externa, ou secundária, usando a tecnologia de semicondutores.

Figura 2: Dispositivos de memória “flash”.

Memórias de meio magnético: memórias de meio magnético armazenam dados em uma superfície recoberta com material magnetizável semelhante à empregada para revestir fitas magnéticas usadas para gravação de áudio. Os dados são gravados e lidos mediante o emprego de “cabeças de leitura e gravação”, pequenos eletroímãs formados por uma bobina enrolada em um núcleo de material ferroso que se deslocam sobre a superfície (ou que a superfície se desloca sob eles como no caso das fitas magnéticas – o que do ponto de vista lógico vem a dar no mesmo) capazes não somente de magnetizar minúsculos pontos da superfície (para gravar dados) como também de detectar se um determinado ponto está ou não magnetizado (para ler dados previamente gravados).

Figura 3: Disco rígido (aberto).

Memórias de meio magnético são usadas em dispositivos de memória externa, ou secundária, como os discos rígidos ou flexíveis (“disquetes”), estes últimos caindo rapidamente em desuso com a disseminação dos dispositivos portáteis que usam memória tipo “flash” (“key drives”, “pen drives” ou “thumb drives”), assim como em fitas magnéticas ainda adotadas em algumas empresas principalmente para armazenar cópias de segurança.

Memórias de meio magnético costumam ser mais baratas e oferecer maior capacidade que as memórias de semicondutores. No entanto o acesso às informações nelas armazenadas é mais lento devido ao método de acesso empregado (veja coluna <  http://www.forumpcs.com.br/viewtopic.php?t=213770 > “Computadores XXXV: Métodos de acesso”).

Detalhes sobre a técnica usada para ler e gravar dados, assim como a organização dos discos e fitas magnéticas serão discutidos adiante quando abordarmos com maiores detalhes a memória secundária, ou externa, onde estes dispositivos são utilizados.

Memórias de meio ótico: Memórias de meio ótico usam um feixe de luz homogênea (raio laser) projetado sobre uma superfície capaz de refletir este raio até um ponto onde se situa uma célula fotoelétrica, que emite uma corrente elétrica de pequena intensidade quando excitada pela luz. O raio se desloca radialmente acima da superfície que gira, de tal forma que a conjugação destes dois movimentos (o deslocamento linear do feixe de luz ao longo do raio da rotação da superfície e a própria rotação da superfície) faz com que o ponto de incidência do raio sobre a superfície forme uma trilha contínua em espiral. Deformações microscópicas são feitas em pontos determinados desta trilha com o objetivo de desviar o raio refletido de sua direção normal. O resultado, então, é um raio de luz incidente sobre a célula fotoelétrica que “pisca” (ou seja: incide quando refletido pela superfície lisa, não incide quando desviado por uma deformação). Este “piscar” gera uma corrente pulsante que pode ser convertida em dados digitalizados (expressos no sistema binário) onde a presença de corrente (ou tensão) indica um bit “um” e a ausência um bit “zero”.

Figura 4: discos óticos.

Meios óticos são usados nos dispositivos de armazenamento removíveis denominados CDs e DVDs, que podem ser do tipo permanente (que não podem ser gravados ou alterados) ou não permanente (que podem ser gravados apenas uma vez ou que podem ser gravados e regravados – veja adiante). Estes dispositivos são usados como parte da memória secundária, ou externa.

Dispositivos óticos são mais lentos que os magnéticos. Atualmente, há discos magnéticos de maior capacidade que os maiores dispositivos óticos, mas a tecnologia de gravação e leitura em meios óticos ainda está em evolução e a capacidade máxima de armazenamento destes dispositivos tende a aumentar com o uso de raios luminosos de menor comprimento de onda (laser azul) e tecnologias modernas.

Características físicas

As características físicas têm a ver com o tempo em que as informações podem ser retidas pela memória e pela possibilidade ou não de removê-las ou substitui-las. No que diz respeito ao primeiro item, as memórias podem ser permanentes ou não permanentes (temporárias). No que toca ao segundo as memórias podem ser voláteis ou não voláteis.

Memórias permanentes e não permanentes: Uma memória é dita “permanente” quando as informações nela contidas não podem ser removidas ou substituídas. Uma vez gravadas elas ali permanecem e jamais podem ser alteradas. Memórias permanentes são também conhecidas como memória apenas para leitura, ou memórias ROM (“Read Only Memory”). Há memórias permanentes de semicondutores (circuitos integrados de memória ROM, que há alguns anos eram usados para armazenar informações que não deviam ser alteradas, como as que faziam parte do sistema básico de entrada/saída dos computadores, as “ROM BIOS”, sobre as quais voltaremos a falar adiante) e de meios óticos (CDs ou DVDs gravados “de fábrica”, conhecidos por CD-ROM ou DVD-ROM, cujo conteúdo não pode ser alterado). Em contraposição a elas existem as memórias cujo conteúdo pode ser removido (“apagado”) ou substituído, sobrescrevendo o anterior, conhecidas como “memórias não permanentes”. Também neste caso há memórias não permanentes de semicondutores, como os chips de memória RAM que constituem a memória principal dos computadores e a “flash memory” usada nos dispositivos de memória secundária tipo “key drive” ou “pen drive”, e memórias não permanentes de meios óticos (CDs e DVDs regraváveis tipo “RW”, de “Read/Write”) e magnéticos, como discos rígidos e flexíveis ou fitas (memórias de meio magnético são essencialmente não permanentes).

Memórias voláteis e não voláteis: Diz-se de uma memória que ela é “volátil” quando somente é capaz de reter informações enquanto alimentada com energia elétrica. Simplificando: as informações apenas permanecem armazenadas em uma memória volátil se o computador estiver “ligado” na corrente elétrica ou alimentado por uma bateria. Ao se desligar o micro ou cortar a alimentação da bateria (ou seja, ao se interromper a alimentação elétrica dos circuitos internos), as informações contidas na memória volátil são perdidas. Ao contrário destas, as memórias não voláteis são capazes de manter as informações mesmo quando não alimentadas por corrente elétrica. O exemplo clássico de memória volátil são os módulos (ou “pentes”) de memória “RAM” usados para integrar a memória principal dos computadores, cujo conteúdo e perdido ao se desligar o micro. Já o exemplo clássico de memória não volátil são os discos rígidos (de meio magnético) que integram a memória secundária dos computadores.

É preciso tomar cuidado para não confundir os conceitos de “permanente/não permanente” e “volátil/não volátil”. Vamos tentar esclarecer melhor o assunto para evitar confusões.

Memórias voláteis são sempre constituídas de semicondutores, como os módulos de memória RAM, as memórias cache e as memórias internas dos microprocessadores conhecidas como “Registradores”. Já memórias não voláteis são constituídas predominantemente de meios óticos e magnéticos (as informações contidas em CDs, DVDs ou discos magnéticos não se perdem quando não alimentadas com energia elétrica) utilizados para a memória externa. Porém, recentemente, surgiu um tipo de memória não volátil de semicondutores: as memórias tipo “flash”, usadas não apenas nos “key drives” ou “pen drives”, mas também nos circuitos que integram as “placas-mãe” dos computadores modernos para armazenar informações anteriormente armazenadas por chips de memória ROM, como as do sistema básico de entrada/saída (BIOS).

Tentando esclarecer melhor: uma memória não permanente pode ser volátil ou não volátil enquanto uma memória permanente só pode ser não volátil. Senão vejamos.

O exemplo típico de memória que é ao mesmo tempo não permanente e volátil são os módulos (circuitos integrados) usados para constituir a memória principal dos computadores, ou memória RAM. Já o exemplo típico de memória que é ao mesmo tempo não permanente e não volátil é o disco rígido (de meio magnético), cujo conteúdo pode ser alterado a qualquer momento mas que não é perdido quando o micro é “desligado”.

Já as memórias permanentes, por jamais poderem alterar (e, portanto, “apagar”) seu conteúdo, nunca podem ser voláteis: liga-se e desliga-se a máquina e as informações continuam lá.

Vejamos alguns exemplos:

Memória não permanente e volátil: memória RAM, memória cache, registradores, que perdem seu conteúdo quando não alimentadas eletricamente.

Memória não permanente e não volátil: discos magnéticos, memórias “flash”, discos óticos tipo regravável (RW), que mantêm as informações mesmo na ausência de alimentação mas cujo conteúdo pode ser alterado.

Memória permanente e não volátil: Circuitos integrados (“chips”) de memória ROM, discos óticos tipo CD-ROM e DVD-ROM (ou CD-R e DVD-R depois de gravados; os meios óticos tipo “R”, de “Recordable”, permitem a gravação uma única vez; a partir do momento em que são gravadas, as informações tornam-se permanentes e não podem ser removidas ou alteradas).

Memória permanente e volátil: não existe. Nada pode ser ao mesmo tempo permanente e volátil.

Desempenho

Por “desempenho” de um dispositivo de memória entende-se a facilidade e, sobretudo, a rapidez com que se pode ter acesso às informações nele armazenadas. Para quantificar o desempenho adota-se três parâmetros: tempo de acesso (ou latência, no caso das memórias de semicondutores), duração do ciclo de memória e taxa de transferência de dados.

Tempo de acesso: denomina-se “tempo de acesso” (“access time”) o tempo decorrido entre o momento em que foi efetuada a solicitação da operação (de leitura ou escrita) e momento em que se inicia efetivamente a transferência do dado. Nos dispositivos de memória secundária de meios magnéticos e óticos este tempo, expresso em milissegundos ou outro submúltiplo do segundo, mede o tempo decorrido entre a solicitação da operação e o momento em que o dispositivo de leitura/escrita (cabeça magnética no caso dos meios magnéticos, feixe luminoso do caso dos meios óticos) se moveu até a posição (início do setor ou do grupo de setores - ou cluster) onde se encontram os dados e está pronto para iniciar a leitura/escrita. Nos dispositivos de memória de semicondutores usados para a memória principal o tempo de acesso (que, neste caso, é denominado “latência” e expresso em números de ciclos do barramento frontal – veremos mais sobre isso quando discutirmos barramentos) mede o tempo gasto para que o controlador da memória selecione a “coluna” e a “linha” onde o dado será lido/escrito (a organização das memórias de semicondutores em blocos constituídos por uma matriz de linhas e colunas será discutida em detalhes adiante e então o conceito de “latência” ficará mais claro).

Duração do ciclo de memória: A “duração do ciclo de memória” (“memory cycle time”) é o tempo mínimo decorrido entre duas operações de leitura/escrita sucessivas. Ele se aplica primordialmente a memórias de acesso aleatório e consiste na soma de três períodos: o tempo de acesso (ou latência), o tempo adicional requerido para que a transferência do dado seja completamente efetuada e o tempo necessário para que o próximo acesso seja feito (“precharge time”, tempo necessário para que o acesso a uma dada “linha” da estrutura de memória seja terminado e possa se iniciar o acesso a outra linha). A duração do ciclo de memória é normalmente expressa em nanossegundos (bilionésimos de segundo).

Taxa de transferência de dados: A “taxa de transferência de dados” ou “fluxo de dados” mede a quantidade de dados transferidos na unidade de tempo entre a memória e o dispositivo que solicitou a operação de leitura/escrita (em geral a UCP). Taxas de transferência de dados são medidas em bytes ou seus múltiplos por segundo (geralmente MB/s - megabytes por segundo – ou GB/s – Gigabytes por segundo). A taxa de transferência de dados (assim como a forma de calculá-la) será discutida em detalhes quando abordarmos o tema “barramento”, já que ela é a principal característica de desempenho deste componente.

Pronto. Com isto esgotamos a abordagem das características genéricas das memórias.

Agora estamos prontos para discutir a “hierarquia” da memória. Na próxima coluna, naturalmente.

Coluna anterior: < http://www.forumpcs.com.br/viewtopic.php?t=217526 > “O Tic-Toc da Intel”

Próxima coluna: Em breve.

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B. Piropo


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