Memória (computador)

Em informática, memória são todos os dispositivos que permitem a um computador guardar dados, temporaria ou permanentemente.

Tipologia

Podemos distinguir os vários tipos de memórias:

Memórias primárias: são memórias que o processador pode endereçar diretamente, sem as quais o computador não pode funcionar. Estas fornecem geralmente uma ponte para as secundárias, mas a sua função principal é a de conter a informação necessária para o processador num determinado momento; esta informação pode ser, por exemplo, os programas em execução. Nesta categoria insere-se a memória RAM (volátil) e memória ROM (não volátil).
Memórias secundárias: memórias que não podem ser endereçadas diretamente, i.e., a informação precisa ser carregada em memória primária antes de poder ser tratada pelo processador. Não são estritamente necessárias para a operação do computador. São, geralmente não-voláteis, permitindo guardar os dados permanentemente. Incluem-se, nesta categoria, os discos rígidos, CDs, DVDs, disquetes, etc.

Às vezes faz-se uma diferença entre memória secundária e memória terciária. A memória secundária não necessita de operações de montagem (inserção de uma mídia em um dispositivo de leitura/gravação) para acessar os dados, e.g., discos rígidos, enquanto que a memória terciária depende das operações de montagem, e.g., discos ópticos, fitas magnéticas, etc.

Hierarquia de Memória

Os dispositivos de memória podem ser mais ou menos rápidos, de acordo com a tecnologia utilizada em sua implantação. Para que o processador possa funcionar em seu desempenho máximo, é preciso que a memória tenha uma banda passante suficiente para acessar as intruções do programa, bem como os dados manipulados, sem tempos de espera.

Infelizmente, quanto mais rápida a memória, maior seu custo, o que impede que a memória primária seja integralmente implementada com módulos tão rápidos quanto o processador. Existem também limitações de natureza tecnológica, especialmente o consumo 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 chamados registradores de CPU, que servem desde armazenar endereços da instrução sendo executada ao armazenamento até manipulação de dados para propósitos gerais. No entanto esse tipo de memória tem uma capacidade baixíssima (alguns bytes) e um custo altíssimo (mais de 1 dolar por byte).

A segunda mais rápida é a memória cache, que é tão veloz quanto o processador. A memória cache é de tamanho limitado (de algumas centenas de kibibytes até alguns mebibytes), e contém páginas que são lidas da memória principal. O conceito de cache se aproveita do fenômeno da localidade referencial, i.e., o fato de que, normalmente, quando um endereço de memória é acessado, os endereços vizinhos serão acessados em seguida. Um escalonador gerencia a transferência das páginas entre a memória principal e a cache.

A memória principal é bem maior que a cache, normalmente entre algumas dezenas de mebibytes até alguns gibibytes. Ela é mais lenta que o processador, e pode se tornar um sério impedimento ao desempenho do computador na ausência da memória cache, ou em algoritmos em que não há localidade referencial.

Finalmente, a memória virtual é implementada em memória secundária. Embora seu tamanho seja limitado apenas pela capacidade de endereçamento do processador (podendo atingir vários gibibytes), ela chega a ser 1.000.000 de vezes mais lenta que a memória principal. Para que o computador tenha um desempenho aceitável, é preciso que as transferências de páginas entre a memória principal e a virtual sejam bastante raras, pois o tempo perdido em uma dessas transferências seria suficiente para executar milhões de instruções.

O esquema cache — virtual — principal ilustra simplificadamente a hierarquia de memória. Sistemas reais podem ser mais complexos, incluindo, por exemplo, diversos níveis de cache, ou ainda vários caches especializados.

Volátil × Não-Volátil, Leitura/Escrita × Leitura Somente

Diz-se volátil, a memória de processamento temporário, cujo conteúdo é perdido quando o equipamento é desligado. A maior parte da memória primária é volátil, com exceção de uma pequena porção que armazena o programa responsável pela inicialização do computador (o BIOS).

A memória é não-volátil ou tem armazenamento persistente quando mantém seu conteúdo quando o computador é desligado. Ela é utilizada para armazenamento dos programas e dos dados do usuário, que devem ser preservados entre as sessões de funcionamento.

A memória pode ser de somente-leitura. Esta memória vem pré-gravada de fábrica (como é o caso de ROMs, CD-ROMs e DVD-ROMs) e não pode sofrer operações de escrita. Seu conteúdo é permanente.

A memória de leitura/escrita permite operações de escrita, e pode, portanto, ser utilizada para armazenar os dados do usuário. Discos rígidos, fitas magnéticas, CD-RWs, DVD-RWs, a memória RAM, disquetes, etc. são todos exemplos de memória de leitura/escrita.

Um tipo intermediário é a memória de uma escrita e várias leituras, que pode ser gravada apenas uma vez, e em seguida torna-se de leitura somente. É o caso, por exemplo, de CD-Rs, DVD-Rs, cartões e fitas perfuradas e alguns tipos de ROMs programáveis.

Tecnologias de Implementação

As principais tecnologias de implantação de memórias em uso corrente são:

Portas lógicas e flip-flops, usados na implementação da memória cache.
Transistores e circuitos de refrescamento, usados na implementação da memória principal.
Arranjos de conexões, utilizados na implementação de certas ROMs.
Fitas magnéticas, utilizadas principalmente para cópias de segurança e arquivamento a longo prazo.
Discos magnéticos, como discos rígidos e disquetes, a principal tecnologia de implementação de memória secundária.
Discos ópticos, como CDs e DVDs, e suas diversas variações.
Memória flash, um tipo de memória semicondutora não volátil muito usada em câmeras digitais e leitores de MP3.

Existem também tecnologias que foram usadas no passado, mas tornaram-se obsoletas:

Memórias de tecnologia delay line, uma das primeiras tecnologias de memória principal, 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 usava um tubo CRT para armazenar dados na forma de pontos luminosos.
Memórias de núcleo de ferrite, uma tecnologia popular de implementação da memória principal nas décadas de 1940 e 1950.
Memórias de filme fino, uma melhoria da tecnlogia de núcleo de ferrite, utilizada em alguns computadores na década de 1960.
Cartões e fitas perfuradas, que já foram os principais meios de memória não-volátil.

Capacidade de Expansão

De um modo geral os computadores encontram-se limitados nas quantidades de memória que podem conter. A esse limite chamado capacidade de expansão corresponde o valor máximo de memória que um sistema específico pode conter. Existem limitações a nível de hardware e de software.

No que respeita às limitações de hardware, a quantidade de memória é limitada pelo espaço de endereçamento do processador. Um processador que utilize endereços de 32 bits, por exemplo, só poderá endereçar 2³² (4 294 967 296) palavras de memória. Esta é a razão pela qual os computadores que utilizam processadores Pentium são limitados a 4 Gb de memória.

Um determinado software (como o sistema operativo) pode ter sido desenhado para permitir uma quantidade limitada de memória.

O limite de capacidade de expansão de memórias RAM também é limitado pela placa-mãe do computador, que provê um certo número de fendas para a cartas de memória, bem como o chipset necessário para acessar a memória.

Referências

Proença, Alberto José. (1999) Arquitectura de Computadores: Notas de Estudo. ^*