Arquitetura Interna de Memórias: Endereçamento e Organização

Este tutorial foca na arquitetura interna das memórias digitais, destacando os conceitos de endereçamento e organização. Ao final, você entenderá como são estruturadas internamente as memórias, como se dá o mapeamento de endereços e quais os principais blocos que compõem este tipo de dispositivo.

Introdução🔗

Em eletrônica digitalIntrodução à Eletrônica Digital: Conceitos Básicos e AplicaçõesDescubra os conceitos e aplicações essenciais da Eletrônica Digital, do funcionamento de sinais binários aos transistores, e comece sua jornada tecnológica., as memórias são componentes essenciais para armazenar dados e instruções em sistemas como computadores, microcontroladoresMicroprocessadores e Microcontroladores: Diferença entre microprocessador e microcontroladorDescubra as principais diferenças entre microprocessadores e microcontroladores, entendendo suas aplicações, custos e consumo de energia em sistemas embarcados. e dispositivos embarcados de todos os portes. A quantidade de memória, a velocidade de acesso e o tipo de armazenamento podem variar conforme a aplicação.

Porém, independentemente do tipo específico de memóriaBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos. (RAM, ROM, Flash etc.), há elementos comuns em sua arquitetura interna, voltados tanto para a forma como os bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. são armazenados, quanto para o modo como eles são endereçados (acessados).

Neste tutorial, vamos explorar essas estruturasEstruturas e Uniões: Organizando Dados ComplexosAprenda como aplicar estruturas e uniões em SystemVerilog. Descubra a diferença entre packed e unpacked com exemplos práticos e dicas para um design otimizado. internas, entendendo:

• A organização em matrizes de células de memóriaBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos..
• O funcionamento básico dos decodificadoresCodificadores e Decodificadores: Estrutura e FuncionalidadeAprenda os princípios dos codificadores e decodificadores, entendendo suas funções, aplicações e implementações na eletrônica digital com exemplos práticos. de linha (row) e de coluna (column).
• A forma como os endereços de entrada são convertidos para selecionar exatamente a posição de armazenamento (célula ou conjunto de células) desejada.

Visão Geral da Arquitetura de Memória🔗

Em geral, uma memória digitalIntrodução à Eletrônica Digital: Conceitos Básicos e AplicaçõesDescubra os conceitos e aplicações essenciais da Eletrônica Digital, do funcionamento de sinais binários aos transistores, e comece sua jornada tecnológica. pode ser visualizada como uma matriz de células (arranjo bidimensional): cada célula é responsável por armazenar um bitSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. de informação. Algumas memórias podem armazenar palavrasIntrodução à Eletrônica Digital: Conceitos básicos: bits, bytes, palavras, sinais de clock e sua importânciaDomine fundamentos da eletrônica digital: bits, bytes, palavras e clock que impulsionam o desempenho e eficiência de sistemas modernos. (word) completas em cada linha, dependendo do número de bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos..

Podemos identificar alguns blocos essenciais na arquitetura interna da maioria das memórias:

1. Linhas de Endereço (Address Lines): Recebem o endereço (em binárioSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos.) que indica qual posição de memória deve ser acessada.

2. DecodificadorCodificadores e Decodificadores: Estrutura e FuncionalidadeAprenda os princípios dos codificadores e decodificadores, entendendo suas funções, aplicações e implementações na eletrônica digital com exemplos práticos. de Linha (Row Decoder): Converte parte dos bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. de endereço para selecionar uma linha (row) específica na matriz.

3. DecodificadorCodificadores e Decodificadores: Estrutura e FuncionalidadeAprenda os princípios dos codificadores e decodificadores, entendendo suas funções, aplicações e implementações na eletrônica digital com exemplos práticos. de Coluna (Column Decoder): Converte os bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. restantes do endereço para selecionar qual coluna (ou conjunto de colunas) na matriz deve ser habilitada para leitura/escrita.

4. Array de Células de MemóriaBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos.: Região bidimensional principal onde cada célula representa um bitSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. ou parte de uma palavraIntrodução à Eletrônica Digital: Conceitos básicos: bits, bytes, palavras, sinais de clock e sua importânciaDomine fundamentos da eletrônica digital: bits, bytes, palavras e clock que impulsionam o desempenho e eficiência de sistemas modernos. de dados.

5. Linhas de Dados (Data Lines): São os caminhos por onde os dados efetivos são enviados para leitura ou recebidos para escrita.

6. Circuitos de Controle e Sinalização: Incluem lógica de ativação de leitura (Read Enable), escrita (Write Enable), habilitação de chip (ChipCircuito Integrado (CI)Descubra os fundamentos dos Circuitos Integrados, sua história e aplicações na eletrônica digital. Aprenda os conceitos essenciais para iniciar. Enable), entre outros sinais.

7. Sense Amplifiers (Circuitos de Leitura): Dispositivos que amplificam o sinal proveniente de uma célula de memória (especialmente em arquiteturas de baixa correnteLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. ou em DRAM, cujo sinal de célula é muito pequeno).

Abaixo, um diagrama ilustrativo em Mermaid que destaca os blocos gerais:

Endereçamento e Organização🔗

Arranjo em Matrizes

Quando falamos sobre endereçamento, estamos nos referindo a como cada posição de memória (célula ou conjunto de células) é encontrada a partir de um endereço binárioSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos.. Imagine que temos um barramento de endereço com n bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos.. Esse barramento n será dividido em duas partes: parte para linha (row) e parte para coluna (column).

Um exemplo simplificado:

• Se a memória possui 1024 posições (palavrasIntrodução à Eletrônica Digital: Conceitos básicos: bits, bytes, palavras, sinais de clock e sua importânciaDomine fundamentos da eletrônica digital: bits, bytes, palavras e clock que impulsionam o desempenho e eficiência de sistemas modernos.) endereçáveis e cada palavra é composta por 8 bits (1 byte), então precisamos de 10 bits de endereço para selecionar cada posição (pois 2^10 = 1024).
• Esses 10 bits podem ser divididos, por exemplo, em 5 bits para linha e 5 bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. para coluna. Assim:
  • Os primeiros 5 bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. selecionam qual das 32 linhas será ativada.
  • Os últimos 5 bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. selecionam qual das 32 colunas dentro daquela linha será acessada.

Esse particionamento entre row e column varia conforme o projeto da memóriaBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos..

Observe que a divisão entre quantos bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. vão para row e quantos vão para column é uma decisão de projetoIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital. que afeta:

• VelocidadePortas Lógicas e Famílias Lógicas: Comparação de famílias lógicas: TTL, CMOS, ECL (vantagens e limitações)Descubra as características, vantagens e limitações das famílias lógicas TTL, CMOS e ECL, essenciais para projetos digitais modernos. de acesso.
• Complexidade do decodificadorCodificadores e Decodificadores: Estrutura e FuncionalidadeAprenda os princípios dos codificadores e decodificadores, entendendo suas funções, aplicações e implementações na eletrônica digital com exemplos práticos..
• Tamanho e quantidade de pinos de endereço necessários.

Caminho de Leitura e Escrita

Quando um endereço é colocado na entrada:

1. Os bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. de linha são enviados ao decodificadorCodificadores e Decodificadores: Estrutura e FuncionalidadeAprenda os princípios dos codificadores e decodificadores, entendendo suas funções, aplicações e implementações na eletrônica digital com exemplos práticos. de linha, que ativa a linha correspondente no array de células.

2. Os bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. de coluna são enviados ao decodificadorCodificadores e Decodificadores: Estrutura e FuncionalidadeAprenda os princípios dos codificadores e decodificadores, entendendo suas funções, aplicações e implementações na eletrônica digital com exemplos práticos. de coluna, que seleciona qual coluna dentro daquela linha deve ser acessada.

3. Se o modo for leitura, a linha de memóriaBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos. selecionada transmite os bits até os sense amplifiers, que reforçam o sinal e o enviam para as linhas de dados.

4. Se o modo for escrita, a linha de dados recebe o novo valor (bits de entrada) e, com a coluna habilitada, grava tais bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. na célula correspondente.

Organização de Palavras🔗

Dependendo do tamanho de cada posição de memóriaBoas Práticas de Programação Embarcada e Otimização de CódigoDescubra técnicas e práticas essenciais para otimizar o código de sistemas embarcados, garantindo desempenho e eficiência em projetos eletrônicos. (por exemplo, 8 bits, 16 bits, 32 bits, etc.), pode-se ter diferentes formas de organização:

• Organização por BitSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos.: Cada endereço aponta para um bitSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. específico. Isso era mais comum em memórias antigas ou em aplicações mais específicas.
• Organização por PalavraIntrodução à Eletrônica Digital: Conceitos básicos: bits, bytes, palavras, sinais de clock e sua importânciaDomine fundamentos da eletrônica digital: bits, bytes, palavras e clock que impulsionam o desempenho e eficiência de sistemas modernos. (Word-Oriented): Cada endereço corresponde a um conjunto (palavraIntrodução à Eletrônica Digital: Conceitos básicos: bits, bytes, palavras, sinais de clock e sua importânciaDomine fundamentos da eletrônica digital: bits, bytes, palavras e clock que impulsionam o desempenho e eficiência de sistemas modernos.) de bits. Por exemplo, endereços que apontam diretamente para bytes (8 bits) ou words (16 bits).

Em aplicações modernas, para memórias de uso geral, é comum endereçamento por byteIntrodução à Eletrônica Digital: Conceitos básicos: bits, bytes, palavras, sinais de clock e sua importânciaDomine fundamentos da eletrônica digital: bits, bytes, palavras e clock que impulsionam o desempenho e eficiência de sistemas modernos. (1 byte por endereço) ou até por palavraIntrodução à Eletrônica Digital: Conceitos básicos: bits, bytes, palavras, sinais de clock e sua importânciaDomine fundamentos da eletrônica digital: bits, bytes, palavras e clock que impulsionam o desempenho e eficiência de sistemas modernos. de 32 bits em sistemas maiores. Esse tipo de organização facilita o acesso a vários bits ao mesmo tempo, reduzindo a necessidade de múltiplas leituras/escritas para obter uma informação completa.

Resumo e Conceitos-Chave🔗

1. Memórias Internas são Organizadas em Matrizes

• Linhas e colunas de células de armazenamento.

2. Endereçamento Envolve Decodificação

• Parte dos bits de endereço seleciona a linha (Row DecoderCodificadores e Decodificadores: Estrutura e FuncionalidadeAprenda os princípios dos codificadores e decodificadores, entendendo suas funções, aplicações e implementações na eletrônica digital com exemplos práticos.).
• Parte dos bits de endereço seleciona a coluna (Column DecoderCodificadores e Decodificadores: Estrutura e FuncionalidadeAprenda os princípios dos codificadores e decodificadores, entendendo suas funções, aplicações e implementações na eletrônica digital com exemplos práticos.).

3. Leitura e Escrita Dependem de Sinais de Controle

• Leituras usam sense amplifiers para extrair o dado da célula.
• Escritas direcionam o bitSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. a ser gravado para a célula selecionada.

4. Largura de Dados afeta a Organização

• Endereçamento por bit ou por palavraIntrodução à Eletrônica Digital: Conceitos básicos: bits, bytes, palavras, sinais de clock e sua importânciaDomine fundamentos da eletrônica digital: bits, bytes, palavras e clock que impulsionam o desempenho e eficiência de sistemas modernos., dependendo do tamanho da informação a armazenar.

Conclusão🔗

A arquitetura interna das memórias digitais segue um princípio de matriz de células, onde a seleção (endereçamento) é feita por meio de decodificadoresCodificadores e Decodificadores: Estrutura e FuncionalidadeAprenda os princípios dos codificadores e decodificadores, entendendo suas funções, aplicações e implementações na eletrônica digital com exemplos práticos. de linha e coluna. Esse paradigma básico se mantém, seja em memórias de uso geral (como em computadores pessoais), seja em memórias embarcadas em sistemas IoTProjetos Práticos: Projeto final: aplicação específica (ex.: IoT, robótica, comunicação)Descubra como montar um sistema IoT completo utilizando sensores, microcontrolador e conexão Wi-Fi para monitorar e analisar condições ambientais. e dispositivos de controle industrial.

Compreender como os bitsSistemas de Numeração e Conversão: Binário, Decimal, Octal e HexadecimalAprenda conversões de sistemas numéricos em eletrônica digital. Descubra métodos para converter entre decimal, binário, octal e hexadecimal com exemplos. de endereço são divididos e como ocorre a organização interna permite projetar sistemas mais eficientes e reconhecer limitaçõesIntegração de Randomização com Ferramentas de VerificaçãoDescubra como a integração da randomização em SystemVerilog e ferramentas de verificação potencializam a cobertura e qualidade dos testes em designs complexos. e vantagens de cada tipo de organização. De dispositivos simples até os mais complexos, o conceito de endereçamento linear e a composição interna em um arranjo bidimensional se repetem e formam a base para todo o funcionamento das memórias digitais.

Próximos Passos:

• Aproximar esses conceitos de práticas de laboratório, analisando datasheetsFerramentas e Recursos Adicionais: Leitura de datasheets: interpretação de especificações de CIsDescubra como ler datasheets e interpretar suas especificações essenciais para garantir segurança, confiabilidade e desempenho em seus projetos digitais. de memórias comerciais para ver na prática a organização e o endereçamento discutidos aqui (sem entrar em outros conteúdos não correspondentes a este tutorial).
• Desenvolver mini-projetosIntrodução ao SystemVerilog: História e EvoluçãoDescubra a trajetória do SystemVerilog, sua origem a partir do Verilog, e os marcos que transformaram a verificação de hardware na indústria digital. para experimentar o acesso a memórias usando microcontroladores ou FPGAs, entendendo como o barramento de endereçosMicroprocessadores e Microcontroladores: Arquitetura: Von Neumann vs. Harvard (CPU, ALU, barramentos)Descubra os princípios das arquiteturas Von Neumann e Harvard, componentes essenciais como CPU, ALU e barramentos, e suas aplicações em sistemas digitais. e de dados interage com cada componente.