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Aula 7 -Memória RAM. Tipos, velocidades, barramentos e história.

Memória RAM

Conforme comentamos em aulas anteriores (Aula1), todo chip de processador precisa de uma memória temporária para funcionar (RAM). Sem memória ficaria impossível até iniciar o processo de Boot, e não teríamos nenhuma máquina digital ou computadores operando.

A memória age como um "rascunho" temporário, onde o processador pode guardar/ler dados que foram processados, ou até mesmo o sistema operacional. SIM, mesmo armazenado em Disco Rígido uma boa parte do sistema operacional deverá ser executado em memória RAM. Já entendemos, que a RAM é um ítem fundamental do computador, e que sem ela, não existe nem o "Boot da máquina", mas então para que existem centenas de modelos, tipos diferentes de memória RAM? Vejamos uma rápida viagem no tempo......

História da memória digital

Tubo de Williams- Primeira Memória Aleatória

Mesmos os primeiros gigantes computadorizados (ENIAC, EDVAC, Colossus) já possuíam uma "memória" para processsamento. Em 1940, a tecnologia, só permitia construção de memória para armazenamento de poucos bits! Em 1946, um tipo especial de memória ficou mais famosa, apelidada de Tubo de Williams, que poderia armazenar até milhares de bits (desde houvessem várias delas)! 

Essa foi a primeira memória de acesso aleatório que temos conhecimento. Era muito parecida com aquelas antigas televisões de tubo (CRT), inclusive foi inspirada nesta tecnologia. Cada bit era armazenado, usando um feixe de elétrons, que faziam pontos no tubo CRT. 

Foto Real de uma Memória de Núcleo Magnético

Em 1947, uma outra forma melhorada de memória foi inventada, conhecida como "memória de núcleo mangético".  Essa memória seria muito utilizada, até que um outro componente eletrônico muito importante fosse descoberto!

Essa memória é como uma tela, existem fios que cortam eixos X,Y. Quando energizado um certo pedaço da tela, o bit é armazenado no núcleo, até que a energia seja desligada. Até hoje, os chips eletrônicos de RAM, usam um conceito parecido!

Tape Unit de Computador década de 1970

As memórias magnéticas ainda iriam fazer muito sucesso, com as famosas fitas K7 de computador. Muitos computadores usaram estas mídias como memória de armazenamento de dados fixo, e são base para o disco rígido (estudaremos na próxima aula 8). 

Fitas DAT armazenam em formato DDS

Mas estas memórias são lentas e totalmente desaconselhável para uso diário, pois a busca dos dados não pode ser feita de forma direta, é necessário rebobinar/avançar o que são operações muito demoradas. Porém ainda usamos atualmente as fitas magnéticas como meio de armazenamento de backup, tais como as fitas DAT.

Chip com 1 Mb de Memória

Somente em 1970, após a invenção do transistor, e melhoria na tecnologia, é que as primeiras memórias de estado sólido foram sendo construídas em chips!
As primeiras memórias foram as DRAM (RAM dinâmica) e mais tarde os chips de SRAM (RAM estática).
Assim surge o conceito dos "Pentes de Memória" o qual possuem inúmeros chips, alinhados com certa capacidade, gerando o total de memória que cada pente pode fornecer.

Diferença entre as tecnologias

Ambos os modelos de RAM são consideradas memórias voláteis, ou seja, quando a energia é desligada, todos os dados internos são perdidos (apagados). 

Diagrama esquemático de uma célula SRAM

SRAM: (Static RAM) Os Bits são armazenados em um circuito eletrônico composto por até 6 transistores em uma configuração de "memória digital". É mais rápida e exige menor energia, não necessita de circuito de "refrescamento dos dados", porém é muito mais cara para se produzir! Atualmente são usadas como memórias cache, produzidas diretamente no core dos chips CPU.

Esquema da Célula DRAM muito mais simples

DRAM: (Dynamic RAM) Os bits são armazenados em um circuito mais simples, composto por 2 transistores e um capacitor. O problema é que com o tempo, o capacitor vai perdendo o bit (0 ou 1) e necessita de um circuito de "refrescamento dos dados". A vantagem é que produzir chips de DRAM são mais baratos do que os SRAM, pois usam menos componentes, por isso as memórias DRAM são usadas em grande parte dos computadores em pentes de memória RAM padrão.

Modelos Obsoletos (Computadores Antigos)

Módulos de Memória RAM SIMM

Exemplos de pentes de memória RAM SIMM

Modelos usados em quase todos os computadores de 1980 até começo de 1990. Single In-line Memory Module, apresenta configurações de 30, 68 ou 72 pinos e podem ter pentes com tamanhos de 256Kb até 128Mb de memória total! Endereços de 32 bits no máximo e seus contatos em ambos os lados do chips são reduntantes (levam para o mesmo lugar).

Detalhe na Mobo dos conectores para SIMM

Para encaixar estas memórias não se deve forçar para baixo, como nos pentes atuais, primeiro deve-se apoiar de lado e empurrar até travar. Para se retirar, é necessário se pressionar as travas laterais primeiro, e depois empurrar para o lado.

Raras e muito difíceis de serem encontradas, só usadas em computadores muito antigos, (286,386, macintosh e atari st)

Pentes de Memória DIMM

Dual In-line Memory Module, são os pentes de memória padrão usados desde 1990, substitutos dos SIMM. Atualmente todos os módulos de computadores desktop são DIMM. Nos pentes DIMM todos os pinos são individuais (não redundantes como no SIMM) e seu endereçamento é 64 bits. 

Para se encaixar ou soltar, é necessário usar uma certa força para baixo, ou pressionar as travas laterais.

Estes pentes são fornecidos em muitas formas e pinagens diferentes.

Vejamos agora os tipos mais comuns de Pentes DIMM para Computadores

SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) SDR

Pentes de memória SDRAM

Tecnologia de memórias usadas em computadores tais de 1993 até 2000 como (Pentium 2,3 e linhas Atlhon e Duron da Primeira Geração). É uma memória do estilo DRAM, mas Sincronizada com o barramento e frequência do clock do processor (S-DRAM). SDRAM teve mais performance do que as antigas memórias DRAM (não sincronizadas) pois os novos modelos poderiam aceitar comandos, sem que os anteriores tivessem ainda sido completados. 

Em 1993 surge a JEDEC, uma associação da indústria eletrônica para padronizar os padrões abertos dos componentes eletrônicos.

A SDRAM era vendida em FSB (Front Side Bus) 66Mhz,100Mhz até 133Mhz, essa era a velocidade de clock da memória. Para os overclocks de plantão, pentes de até 150Mhz. O pente padrão tinha 168 pinos.

Vendido em tamanhos de 64- 128- 256 ou 512 Mb de capacidade. 

SDRAM consegue transmitir 1 palavra (byte) por ciclo de clock (Single Data Rate)

Como era de se esperar as memórias SDRAM eram mais baratas dos que as SRAM. Aqui entra em cena, um circuito eletrônico para "refresh dos dados"!

Esta memória opera com tensões de 3,3V e possui 2 chanfros em sua placa, não permitindo que seja inserida errada em slots DDR por exemplo.



DDR-SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random-Access Memory )

Pente de memória SDRAM DDR1

Conhecido simplesmente como DDR1, é uma evolução da SDRAM, aplicando uma técnica para dobrar a taxa de transferência dos dados (2 palavras ) por ciclo de clock.  Vendidos em FSB de 100-133-166-200Mhz.

O pente padrão tem 184 pinos, e possui um chanfro central que impede que seja conectado em slots SDRAM por exemplo. Sua tensão de operação está entre 2,5/2,6V

DDR2 (4X mais dados /clock)

Pente de DDR2

Melhoria da DDR1, onde foi quadruplicado a quantidade de dados transferidos por ciclo de clock. O conceito são os mesmos aplicados a DDR1, porém aqui temos estas diferenças.

FSB de 200Mhz até 533Mhz, operando com tensões na ordem de 1,8V. O pente tem 240 pinos.

DDR3 (8X mais dados/clock)

Pente de DDR3

Melhoria da antiga DDR2,aqui temos uma taxa de 8X mais dados transferidos por ciclo de clock. 

FSB de 400Mhz até 1066Mhz, operando com tensão de 1,5V em média. O pente padrão também tem 240 pinos, porém o chanfro está localizado em uma posição diferente do DDR2, para evitar incompatibilidade e ligações erradas

Veja nesta foto a comparação entre pentes DDR,DDR2 e DDR3.

Pinagem e detalhe do Chanfro das DDR's

DDR4

Apresentada em Agosto de 2014, este será o novo padrão de memórias DDR. Com pentes de 280 pinos, com FSB de 1066Mhz até 2133Mhz, conseguem também entregar 8 palavras por ciclo de clock. Operam com tensões menores na ordem de 1,2 até 1,05V.

ECC X NON-ECC

A sigla ECC (Error Code Correction) é um mecanismo que alguns pentes de memória, no qual o controlador de memória, recebe bits adicionais para efetuar a detecção de erros (paridade) nos bits. Pentes ECC custam mais caro pois usam um chip a mais, normalmente são usados em servidores, e supercomputadores, são mais lentas devido ao processo de checagem ECC. Para a grande maioria dos computadores desktop, as Mobo aceitam memórias DDRAM Non-ECC (sem o circuito de correção).

Serial Presence Detect (SPD)

Detalhe do circuito SPD

Este circuito presente em todos os pentes de memória modernos (DDRX) serve para fazer uma configuração automática da memória RAM para a Mobo. Quando o computado é ligado, ele executa o P.O.S.T (testes iniciais), é nesta hora que o circuito SPD, envia os dados de configuração, com isso a BIOS é setada com os parâmetros corretos de timmings (latência),voltagem de operação e frequência FSB.

Em casos de pentes especiais, é possível ainda sobrepor a configuração automática do SPD, para níveis de alta performance, executando o "overclocking" dos chips de memória.

Latência (CAS) e Timings

É o termo que determina o tempo de atraso, entre solicitar um certo acesso da memória, ela efetuar a operação e devolver o resultado. Toda memória RAM tem seus tempos de latência, em geral, quanto menor, melhor é o chip. O mais importante é o CAS, que mede o tempo em que o controlador de memória solicita os dados, e a memória consegue devolver as respostas do barramento.

Quatro parâmetros de timings são analisados hoje. 

• CL (CAS Latency)
• tRCD
• tRP 
• tRAS

Pelo JEDEC, estes tempos são exibidos nos manuais como configuração em números separados por "-". O primeiro é o CAS,depois o tRCD, tRP e tRAS

Exemplo:

3-4-4-8 

7-8-8-24

Geralmente eles representam tempos na ordem de nanosegundos (ns).

Buffered X non-Buffered

Buffered também conhecido como "registered" ,possui um circuito adicional que está posicionado entre o controlador de memória e os chips DRAM, Eles usam menos carga elétrica nos circuitos do controlador, e permitem que se tenha muito mais chips DRAM estáveis no pente do que os módulos sem este circuito. Pentes assim são chamados de RDDIM. São mais caros do que os non-registered, por isso só usados em servidores e computadores de alta performance (tal como o circuito ECC).

Non-Buffered são os pentes comuns de desktops, que não possuem este circuito eletrônico.

Dual Channel X Single Channel

A técnica do Dual channel já era usada em 1960 nos famosos IBM System/360, e consiste em aumentar a taxa de transferência, adicionando mais canais de comunicação entre o controlador de memória e o chip DRAM. Gerando 5% ou mais de desempenho (depende da aplicação).

Exemplo de Slots de uma Mobo Dual Channel 

Para que você possa se beneficiar do Dual Channel, sua Mobo deve possuir este recurso (todas as mais novas já possuem). Para fazer dual channel, é necessário se conectar no mínimo 2 pentes de memória DDR. Geralmente existem cores para identificar os pares das memória na Mobo, e você deverá plugar os pentes, nestas cores.

Atenção : Consulte sempre o manual da Mobo, para saber sobre a interpretação das cores, pois não há um padrão!

Se você ligar certo, a mensagem "Dual Channel" será exibido no P.O.S.T, confirmando a operação.

Apesar de ser possível se fazer "Dual channel" em pentes de tamanhos diferentes, é recomendável que no caso do FSB (Clock) elas sejam iguais, pois caso contrário, a operação limitará o FSB total, para o de menor valor!

Com módulos Impares (instalados em número impar), você poderá ter os pares em Dual e o resto operando em Single.

Mesmo com 1 par, é possível ainda operar em Single Channel, se eles forem ligados errados, ou definidos propositalmente na BIOS. 

Overclocking em Memórias RAM

 É possível se efetuar o famoso "overclocking" também nos chips de memória RAM, para isso basta alterar os parâmetros de timings além de tensão (V) e FSB, fornecendo uma ligeira melhoria de performance do chip original.

Porém o SPD, faz o ajuste dos valores de forma segura e automática. Valores alterados, podem danificar as memórias e também causar danos a Mobo! No caso, é mais seguro se comprar um pente de memória especial, de alta performance, fabricado justamente para ser "turbinado". Ele possui um dissipador de calor adicional (aquelas capas coloridas) para evitar a queima da memória por sobreaquecimento.

Nestes módulos de DDRAM, é possível se ajustar manualmente os valores, na BIOS da Mobo. Geralmente estes parâmetros são feitos em um área especial avançada.

Exemplo do acerto de overclocking numa Mobo AssRock

Como comentamos antes, tome cuidado para alterar os valores além dos limites do SPD padronizados. Isso poderá causar danos sérios ao hardware.

Com isso, concluímos mais uma aula, abordando conhecimentos e termos técnicos importantes, usados para a montagem correta de um computador.

Até a próxima.

JMJG -Eng Eletrônico /Instrutor de Hardware

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