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Eletrônica Digital XXVIII

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Tópicos: Memórias Digitais | Um Pouco de História (memórias de retardo e de núcleo magnético) |

1) Memórias Digitais

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As memórias que armazenam informações digitais podem ser classificadas pelos critérios funcionais conforme tabela a seguir.

Tab 1-I
ItemCritérioIII
(a)AcessoSequencialAleatório
(b)Persistência dos dadosVolátilNão volátil
(c)Alterações de dadosSomente leituraLeitura / escrita

Nas memórias de acesso sequencial, o tempo de escrita e/ou leitura de um dado depende da sua posição no conjunto. É o caso de discos e fitas magnéticas (disquetes, discos rígidos, etc) e discos óticos (CDs, DVDs). Nas memórias de acesso aleatório, o tempo independe da posição do dado. São normalmente implementadas com circuitos lógicos.

As memórias voláteis perdem os dados armazenados se a alimentação elétrica do dispositivo é removida. Em geral são as memórias feitas de circuitos lógicos, mas existem tipos que preservam os dados. Nas memórias não voláteis, os dados são preservados na falta de alimentação elétrica. É o caso de discos e fitas magnéticas e discos óticos.

Nas memórias de somente leitura, os dados são gravados em fábrica e não podem ser posteriormente alterados, em contraste com as de leitura /escrita, cujos dados podem ser livremente modificados. Dispositivos de discos ou fitas magnéticas são em geral de leitura / escrita (disquetes, discos rígidos, etc). Discos óticos podem ser de um ou de outro tipo (CD/DVD comum, CD/DVD gravável). Memórias com circuitos lógicos também podem ser de apenas leitura ou de leitura / escrita.

Aqui são consideradas apenas memórias com circuitos lógicos. Em geral, elas são de acesso aleatório. A sigla inglesa RAM (Random Access Memory, memória de acesso aleatório) é comumente usada para as memórias de operação de computadores, que, além de acesso aleatório, são também voláteis e de leitura / escrita. Mas, literalmente, a sigla RAM pode ser aplicada para qualquer memória de acesso aleatório, independente de outras propriedades.


2) Um Pouco de História (memórias de retardo e de núcleo magnético)

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Comparadas com as de hoje, as memórias dos primeiros computadores eram rudimentares, volumosas, de pequena capacidade. Elas foram desenvolvidas numa época em que não havia transistores nem circuitos integrados. Mas o estudo de alguns tipos pode ser útil para lembrar alguns princípios da física.

A primeira memória de computador usava um meio físico (mercúrio líquido) para formar uma linha de retardo de pulsos de ondas sonoras, que representavam bits de informação. Ver Figura 2-I. O transdutor da extremidade esquerda converte sinais elétricos em ondas sonoras e o da direita, sinais sonoros em elétricos. Assim, uma sequência de dados em forma de pulsos elétricos aplicada no amplificador esquerdo é convertida em uma sequência de pulsos mecânicos que se desloca através do mercúrio contido no tubo, na velocidade de propagação do som nesse meio.


Fig 2-I

Do amplificador direito, há uma realimentação elétrica para a entrada. A realimentação mantém a sequência de pulsos indefinidamente no dispositivo, enquanto houver operação dos amplificadores. Ou seja, a informação é armazenada e pode ser usada quando necessário.

Essas memórias, construídas nos primeiros anos da década de 1950, usavam tubos de comprimento aproximado 1500 mm, que podiam armazenar 384 bits de informação. Variações de temperatura afetam a velocidade de propagação, causando problemas de sincronização de dados. Posteriormente o mercúrio foi substituído por espirais de fios de ligas metálicas de boa estabilidade térmica, para aumentar a capacidade.

A maior evolução das memórias dos primeiros computadores foi dada pelas memórias de núcleo magnético, que usavam ferrite como material dos núcleos.

Ferrite (nome comercial provavelmente) é um material magnético desenvolvido no final da década de 1930. É formado basicamente por óxido de ferro (Fe2O3) e óxidos de outros metais como zinco, níquel, manganês, cobre. Os óxidos, na forma de pó, são misturados e prensados para obter a peça desejada, que é submetida a um processo de sinterização, isto é, aquecimento em temperatura inferior à de fusão, mas suficiente para provocar a difusão de átomos entre as estruturas cristalinas dos diferentes materiais. O resultado é um material duro, quebradiço, de propriedades magnéticas especialmente adequadas para dispositivos de altas frequências como núcleos de transformadores, pequenas antenas, etc.

Materiais ferromagnéticos, como o ferrite, exibem uma magnetização residual após exposição a um campo magnético externo e as variações de parâmetros seguem curvas diferentes de acordo com o sentido de variação do campo. Isso é denominado histerese e alguns outros detalhes podem ser vistos nas páginas sobre Eletromagnetismo deste site.

Os núcleos têm forma de anel e a composição do ferrite usado é tal que a curva de histerese é praticamente retangular, como em (a) da Figura 2-II. Se o núcleo é atravessado por um condutor pelo qual circula uma corrente contínua, o campo magnético formado pode provocar uma magnetização no núcleo. No eixo horizontal, i representa a corrente circulando pelo condutor (o campo magnético formado é proporcional a essa corrente). O eixo vertical indica o campo em um determinado ponto da magnetização residual do núcleo.

O gráfico permite concluir que somente correntes acima de determinado valor (i por exemplo) provocam uma magnetização B no núcleo. Uma corrente i/2, por exemplo, não provoca. Para mudar o sentido da magnetização (inverter pólos), é necessária uma corrente de sentido contrário de valor, por exemplo, −i. Um valor −i/2 não provoca a mudança.

Nota-se também que a mudança depende do estado anterior. Se, por exemplo, o núcleo estava magnetizado com B, uma corrente i nada muda, mas uma corrente −i inverte a magnetização. E o oposto, se estava com −B. Funciona portanto como um biestável, similar a um flip-flop digital. Em outras palavras, o estado final (B ou −B) depende da "entrada" (i ou −i) e do estado inicial (B ou −B).

Supõe-se agora que o núcleo é atravessado por dois condutores e os sentidos das correntes são os mesmos: neste caso o campo magnético resultante é a soma de ambos. Se em cada condutor circula uma corrente i/2 (ou −i/2), pode ocorrer mudança de magnetização conforme parágrafo anterior. Se circula corrente i/2 (ou −i/2) em apenas um condutor, não há possibilidade de mudança.


Fig 2-II

Seja uma matriz com 16 núcleos conforme Figura 2-II (b). Se, por exemplo, é aplicada uma corrente i/2 em X1 e uma corrente i/2 em Y2 e não aplicada corrente nas demais, somente o núcleo da interseção da coluna X1 com a linha Y2 poderá mudar de estado de magnetização. Os demais núcleos ou terão corrente nula ou i/2, insuficiente para provocar mudanças conforme já visto. Portanto, a interseção das linhas de corrente faz o endereçamento do núcleo e permite gravar um bit de informação mediante uma convenção (por exemplo B para valor 1 e −B para valor 0). Ou seja, o arranjo da figura é uma memória de núcleos magnéticos.

O processo de leitura é um pouco mais complexo. Há uma linha L (cor laranja na figura) que atravessa todos os núcleos. Se, por exemplo, se deseja ler a informação do núcleo da interseção X1 e Y2, aplicam-se as mesmas correntes do procedimento anterior. Se houver mudança de estado, um pulso é induzido em L e, assim, pode-se saber o valor armazenado. Observa-se que, nesse caso, a leitura é destrutiva e a lógica do circuito deve reescrever o dado no núcleo.

As memórias de núcleo magnético apresentam vantagens claras em relação ao tipo anterior: são estáveis, não voláteis e os núcleos podem ser pequenos, reduzindo o tamanho. Para dar uma ideia, uma memória de 4 kB ocupava uma placa de dimensões aproximadas 35 x 35 cm (4 quilobytes e não megabytes. Mas era um valor considerável na época). Foram usadas em computadores comerciais, máquinas de comando numérico e outros sistemas até o final da década de 1970.
Referências
Brophy, James J. Basic Electronics for Scientists. USA: McGraw-Hill, 1977.
U. S. Navy. Basic Electronics. Hemus, 1976.

Topo | Rev: Dez/2007