A não ser que você seja um profissional de eletrônica ou informática, provavelmente não deve ter ouvido falar muito dos flip-flops. Assim mesmo, eles estão presentes em muito mais do que você imagina, inclusive no computador que você está usando para ler esta matéria.
Trata-se do bloco primário utilizado na construção de unidades de armazenamento de dados em dispositivos eletrônicos, sendo o componente principal da memória mais rápida encontrada em aparelhos computacionais: os registradores.
Processador, o melhor amigo do flip-flop
Hierarquia de memórias
Você já pôde conferir no Tecmundo um descritivo sobre como funciona a memória RAM. Nele, explicamos que existem vários tipos de memória no computador, com velocidades e tamanhos distintos entre si, como cache, RAM e disco.
Também comentamos que o processador trabalha mais rápido do que qualquer uma delas, fazendo necessário o uso de uma hierarquia rígida para dar prioridade de uso para a memória mais veloz disponível. No topo delas estão os registradores.
Os diferentes níveis de memória usados pelo CPU (Fonte da imagem: Tecmundo)
Registradores são unidades de armazenamento inclusas no chip do CPU, onde os dados de entrada e saída para todos os cálculos e comparações são armazenados e, então, enviados para outros repositórios maiores, como a RAM.
Por estarem tão próximos do circuito de processamento, eles podem ter seus valores acessados e mudados na mesma frequência com que o processador trabalha e, para isso, o uso de flip-flops é essencial.
Feitos apenas de circuitos
A memória RAM usa capacitores ligados a circuitos combinacionais (transistores) para manter os valores 0 ou 1, um método relativamente barato. Já os registradores usam flip-flops, que são compostos apenas de circuitos lógicos e podem fazer o mesmo trabalho muito mais rápido.
Esquema de um flip-flop simples (Fonte da imagem: Wikipédia)
Na engenharia da computação, usam-se portas lógicas para ilustrar esquemas de circuitos combinacionais (ou sequenciais). Um flip-flop simples (latch) pode ser facilmente representado por duas portas NOR ligadas entre si, de forma cruzada.
Este aplicativo web de simulador de circuitos pode ajudar você a entender isso na prática (necessário ter o plugin Java instalado). Se você pressionar o botão “~Set”, o circuito irá ativar o bit de “Q”, que ficará vermelho. Pressione o mesmo botão novamente. Nada acontece, não é mesmo? É justamente esse o objetivo: manter gravado indefinidamente o valor na ponta da saída.
A única forma de tirar o bit de lá é usando o botão “~Reset”, ou desligando a energia do circuito. A outra saída que você vê, chamada de “~Q”, sempre vai conter o valor inverso de “Q”, constituindo assim, uma memória latch de dois estados permanentes.
Naturalmente, computadores usam circuitos mais elaborados do que esse, já que existe a necessidade de um clock de sincronia, endereçamento e outros aditivos. Mesmo assim, a essência por traz do armazenamento não muda.
Tanto a memória feita por flip-flops quanto a de capacitores são voláteis, o que significa que os dados serão perdidos caso a energia que as alimenta acabe. O mesmo não ocorre com o disco rígido ou a memória flash (pendrive), que podem manter os seus dados idefinidamente.
Por outro lado...
Apesar de serem mais rápidos, flip-flops ocupam mais espaço físico do que os outros tipos de armazenamento, tornando inviável colocar milhões deles em um pente de memória, como ocorre com a RAM.
Por esse e outros motivos, a maioria das arquiteturas de processadores não utilizam mais do que 32 registradores, sendo que cada um deles possui 8 bits (um byte). Flip-flops também têm um custo de fabricação muito maior, se comparados à memória RAM comum.
Mas não são só os processadores que usam esse tipo de memória. Flip-flops podem ser encontrados em qualquer tipo de equipamento eletrônico, mesmo os não computacionais (que não executam processamento), desde aparelhos de telefone até semáforos de transito.
Um bom exemplo de outras aplicações para flip-flops
Aliás, o próprio o CPU utiliza muitos outros flip-flops espalhados pelos seus circuitos, além daqueles nos registradores. Os diversos microcontroladores e periféricos do computador também fazem uso desse tipo simples e eficiente de armazenamento de dados.
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