Tipos de memória e unidades de armazenamento
Memória é qualquer dispositivo capaz de armazenar informação (dados e instruções) para uso imediato ou futuro pelo computador.
Nenhuma tecnologia de memória é, ao mesmo tempo, rápida, barata e de grande capacidade. Por isso o computador combina vários tipos em uma hierarquia: pouca memória rápida e cara perto da CPU, muita memória lenta e barata mais distante.
Três parâmetros descrevem qualquer memória: tempo de acesso (latência), capacidade (quanto armazena) e custo por bit.
Quanto mais perto do topo:
O princípio da localidade de referência (dados usados recentemente tendem a ser usados de novo) faz essa hierarquia funcionar muito bem.
Perde o conteúdo quando a energia é cortada. Usada para trabalho temporário.
Exemplos: RAM (DRAM, SRAM), registradores, cache.
Mantém o conteúdo sem energia. Usada para armazenamento permanente.
Exemplos: ROM, SSD, HD, pendrive, cartão SD, DVD.
RAM (Random Access Memory — memória de acesso aleatório) permite ler/escrever qualquer posição diretamente, no mesmo tempo. É a memória de trabalho do computador: volátil e de leitura/escrita.
| Tipo | Característica | Uso típico |
|---|---|---|
| SRAM (estática) | Muito rápida, cara, não precisa de refresh | Memória cache |
| DRAM (dinâmica) | Mais lenta e barata, precisa de refresh periódico | Memória principal |
| SDRAM / DDR | DRAM sincronizada com o clock; DDR transfere 2 dados por ciclo | Pentes de memória (DDR4, DDR5) |
"Acesso aleatório" não significa desordenado: significa que o tempo para acessar qualquer endereço é o mesmo, ao contrário de uma fita, onde é preciso percorrer sequencialmente.
ROM (Read Only Memory) é não-volátil e guarda informações que raramente mudam, como o firmware de inicialização (BIOS/UEFI).
| Tipo | Pode ser regravada? |
|---|---|
| ROM | Não — gravada na fabricação |
| PROM | Uma única vez, pelo usuário |
| EPROM | Sim — apagada por luz ultravioleta |
| EEPROM | Sim — apagada eletricamente, byte a byte |
| Flash | Sim — EEPROM rápida, apagada em blocos (base de SSDs e pendrives) |
A cache é uma memória pequena e muito rápida (SRAM) que fica entre a CPU e a RAM. Ela guarda cópias dos dados mais usados para evitar o acesso lento à memória principal.
Hit = o dado estava na cache (ótimo). Miss = não estava, precisa buscar na RAM (lento). Uma alta taxa de acerto é o que faz a cache valer a pena.
Memória não-volátil de grande capacidade para guardar arquivos e programas de forma permanente.
| Tecnologia | Como funciona | Velocidade |
|---|---|---|
| HD (disco rígido) | Discos magnéticos girando + cabeça de leitura | Lento (partes móveis) |
| SSD | Memória flash, sem partes móveis | Rápido |
| NVMe | SSD ligado direto ao barramento PCIe | Muito rápido |
| Óptico (CD/DVD/Blu-ray) | Leitura por laser de sulcos na superfície | Lento |
| Fita magnética | Acesso sequencial | Muito lento (backup) |
O bit (binary digit) é a menor unidade de informação: vale 0 ou 1.
Um conjunto de 8 bits forma um byte, que pode representar 28 = 256 valores diferentes — o suficiente para um caractere.
4 bits = 1 nibble (meio byte).
| Unidade | Equivale a |
|---|---|
| 1 Byte (B) | 8 bits |
| 1 Kilobyte (KB) | 1024 bytes |
| 1 Megabyte (MB) | 1024 KB |
| 1 Gigabyte (GB) | 1024 MB |
| 1 Terabyte (TB) | 1024 GB |
| 1 Petabyte (PB) | 1024 TB |
1000 ou 1024? Tradicionalmente usa-se 1024 (potência de 2). O padrão SI define KB = 1000 bytes e cria os prefixos binários KiB, MiB, GiB (1024) para evitar confusão.
É por isso que um HD de "1 TB" mostra ~931 GB no sistema operacional: o fabricante usa 1000, o SO usa 1024.
A hierarquia de memória só funciona por causa de uma propriedade empírica dos programas reais: a localidade de referência. Ela tem duas formas:
Um dado acessado agora tende a ser acessado de novo em breve. Ex.: a variável contadora de um laço, lida e escrita a cada iteração.
Se um endereço é acessado, os vizinhos provavelmente serão também. Ex.: percorrer um vetor ou executar instruções em sequência.
Por isso a cache não traz apenas o byte pedido, e sim um bloco inteiro (tipicamente 64 bytes): aposta-se na localidade espacial. Um código que respeita a localidade (ex.: percorrer matrizes na ordem em que estão na memória) pode ser várias vezes mais rápido que um que a ignora.
O endereço de memória é quebrado em três campos para localizar o dado na cache:
| Organização | Como mapeia | Característica |
|---|---|---|
| Mapeamento direto | Cada bloco só pode ir a uma linha fixa | Rápida e simples; mais conflitos |
| Associativa por conjuntos | Bloco pode ir a qualquer via de um conjunto (2, 4, 8 vias) | Equilíbrio usado na prática |
| Totalmente associativa | Bloco pode ir a qualquer linha | Menos conflitos; cara (comparadores) |
O desempenho real da memória é medido pelo tempo médio de acesso (AMAT), que pondera acertos e faltas:
Reduzir a taxa de faltas (caches maiores/associativas) ou a penalidade (níveis L1/L2/L3) melhora o AMAT.
Política de escrita:
Substituição: ao encher, qual bloco sai? LRU (menos usado recentemente), FIFO ou aleatório.
Cada bit de DRAM é guardado em uma célula 1T1C: um transistor e um capacitor. A carga do capacitor (carregado = 1, descarregado = 0) vaza com o tempo — por isso a DRAM precisa ser recarregada (refresh) milhares de vezes por segundo. É a origem do nome "dinâmica".
A latência (tempo até o primeiro dado, ligada aos tempos CAS/RAS) evoluiu pouco; o grande ganho das gerações de DDR está na banda (bytes por segundo), não na latência.
SSDs e pendrives usam Flash NAND, que guarda carga em uma porta flutuante. A quantidade de bits por célula define um trade-off entre densidade, custo e durabilidade:
| Tipo | Bits/célula | Característica |
|---|---|---|
| SLC | 1 | Mais rápida e durável; cara (uso corporativo) |
| MLC | 2 | Equilíbrio |
| TLC | 3 | Comum em SSDs de consumo |
| QLC | 4 | Mais barata e densa; menos ciclos de escrita |
A Flash lê/escreve em páginas, mas só apaga em blocos inteiros, e cada célula suporta um número limitado de apagamentos. Por isso o controlador faz wear leveling (distribui o desgaste) e garbage collection. O 3D NAND empilha células verticalmente para ganhar capacidade.
Raios cósmicos e ruído podem inverter bits ("soft errors"). A memória ECC adiciona bits de verificação (códigos de Hamming) capazes de corrigir 1 bit e detectar 2 bits por palavra — essencial em servidores.
A memória vista pelos programas é virtual: a MMU traduz endereços virtuais em físicos consultando a tabela de páginas. A TLB é uma cache dessas traduções, evitando acessos extras à memória a cada referência.
Note a recursão da ideia de cache: TLB faz cache de traduções, L1/L2/L3 fazem cache de dados, a RAM faz cache do disco (via paginação). Em todos os níveis vale a mesma lógica de localidade.
| RAM | Memória volátil de trabalho, leitura e escrita. |
| ROM | Memória não-volátil, predominantemente de leitura. |
| Cache | Memória rápida intermediária entre CPU e RAM. |
| Volátil | Perde os dados sem energia. |
| Bit / Byte | Menor unidade (0/1) / conjunto de 8 bits. |
| Latência | Tempo até iniciar o acesso a um dado. |
| Localidade | Tendência de reusar dados (temporal) e vizinhos (espacial). |
| AMAT | Tempo médio de acesso = tacerto + taxafalta × penalidade. |
| DRAM / DDR | Célula 1T1C com refresh; DDR transfere nas duas bordas do clock. |
| ECC | Memória que corrige 1 bit e detecta 2 bits de erro. |
1. Um HD é vendido como 2 TB. Por que o sistema operacional mostra cerca de 1862 GB?
2. Uma cache tem tempo de acerto de 1 ns, taxa de falta de 5% e penalidade de falta de 100 ns. Calcule o AMAT.
3. Endereço de 32 bits, blocos de 64 bytes, cache de mapeamento direto com 512 linhas. Quantos bits têm os campos offset, índice e tag?
4. Por que a cache usa SRAM e a memória principal usa DRAM?
A memória de um computador não é uma só: é uma hierarquia que troca velocidade por capacidade. Registradores e cache (rápidos e pequenos), RAM (volátil de trabalho), ROM/Flash e armazenamento secundário (não-voláteis e grandes). Tudo medido em bits e bytes e seus múltiplos.