4. ESTRUTURA DOS COMPUTADORES DO PADRÃO PC

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1 4. ESTRUTURA DOS COMPUTADORES DO PADRÃO PC Mais um capítulo! Começam agora as primeiras noções do complexo modelo no qual é baseada a estrutura dos microcomputadores atuais. Veremos aqui como interagem e principalmente como funcionam os componentes que formam a estrutura do padrão PC. Boa leitura! Qualquer PC é composto pelos mesmos componentes básicos: processador, memória, HD, placa-mãe, placa de vídeo e monitor. Essa mesma divisão básica se aplica também a outros aparelhos eletrônicos, como palmtops e celulares. A principal diferença é que nestes os componentes são menores e utilizam menos energia. Com o avanço tecnológico, a placa-mãe passou a incluir cada vez mais componentes, dando origem às placas tudo onboard ou integrado que utilizamos atualmente. Isso permitiu que os preços dos PCs caíssem vertiginosamente, já que, com menos componentes, o custo de fabricação é bem menor. Para quem quer mais desempenho ou recursos é sempre possível instalar placas adicionais, substituindo os componentes onboard PROCESSADOR O processador é o cérebro do micro, encarregado de processar a maior parte das informações. O processador é o componente mais complexo e frequentemente o mais caro, mas ele não pode fazer nada sozinho. Como todo cérebro, ele precisa de um corpo, que é formado pelos outros componentes do micro, incluindo memória, HD, placas de vídeo e de rede, monitor, teclado e mouse. Figura 12: Exemplos de processadores. Página 36

2 Observe o quadro evolutivo dos processadores: Dentro do mundo PC, tudo começou com o processador 8088, lançado pela Intel em 1979 e usado no primeiro PC, lançado pela IBM em Depois veio o 286, lançado em 1982, e o 386, lançado em O 386 pode ser considerado o primeiro processador moderno, pois foi o primeiro a incluir o conjunto de instruções básico, usado até os dias de hoje. O 486, que ainda faz parte das lembranças de muita gente que comprou seu primeiro computador durante a década de 1990, foi lançado em 1989, mas ainda era comum encontrar micros com ele à venda até por volta de Depois entramos na era atual, inaugurada pelo Pentium, que foi lançado em Depois, em 1997, veio o Pentium II, que usava um encaixe diferente e por isso era incompatível com as placas-mãe antigas. A partir daí as coisas passaram a acontecer mais rapidamente. Em 1999 foi lançado o Pentium III e em 2000 o Pentium 4, que trouxe uma arquitetura bem diferente dos chips anteriores, otimizada para permitir o lançamento de processadores que trabalham a frequências mais altas. O último Pentium III trabalhava a 1.0 GHz, enquanto o Pentium 4 atingiu rapidamente os 2.0 GHz, depois 3 GHz e depois 3.5 GHz Co-processador A função do co-processador aritmético é justamente auxiliar o processador principal no cálculo de funções complexas, cada vez mais utilizadas, principalmente em jogos e aplicações científicas. É como um matemático profissional que ajuda o processador a resolver os problemas mais complexos, que ele demoraria muito para resolver sozinho. Antigamente os co-processadores eram vendidos separadamente e instalados na placa-mãe. Hoje em dia eles vêm embutidos no processador principal MEMÓRIA O papel do processador é pegar dados, processar e devolver. Como os processadores não possuem área interna de memória muito grande, ele precisa recorrer a um outro tipo de armazenamento, que se chama memória. Página 37

3 A memória deverá ser, sobretudo, organizada. Caso ela não seja organizada, não haverá como o processador saber onde buscar determinado dado. Por isso a memória é dividida sistematicamente em pequenas áreas chamadas de endereços. Imagine um grande edifício dividido em n apartamentos. Para diferenciarmos os apartamentos, atribuímos números a eles. Assim, podemos saber quem são nossos vizinhos e em qual apartamento eles moram. Na analogia: o prédio é a memória em si e os números dos apartamentos são os endereços onde estão os dados RAM A memória RAM (Random Access Memory Memória de Acesso Aleatório) é usada para armazenar os arquivos e programas que estão sendo executados, como uma espécie de mesa de trabalho. A quantidade de memória RAM disponível tem um grande efeito sobre o desempenho, já que sem memória RAM suficiente o sistema passa a usar memória swap, que é muito mais lenta. A memória swap é uma porção de memória que é reservada num meio diferente da memória RAM, como um disco rígido ou até mesmo num pen drive. A principal característica da memória RAM é que ela é volátil, ou seja, os dados se perdem ao desligar ou reiniciar o micro. É por isso que ao ligar é necessário sempre refazer todo o processo de carregamento, em que o sistema operacional e aplicativos usados são transferidos do HD (Hard Disk disco rígido) para a memória, onde podem ser executados pelo processador. HD ou Hard Disk é a denominação de disco rígido. Nele são armazenados os arquivos pessoais e os arquivos do sistema. Usualmente é o drive C do nosso computador. Os chips de memória são formados pela repetição de uma estrutura bem simples, formada por um par de um transistor e um capacitor. Um transistor solitário é capaz de processar um único bit de cada vez, e o capacitor permite armazenar a informação por um certo tempo. Essa simplicidade faz com que os pentes de memória sejam muito mais baratos que os processadores, principalmente se levarmos em conta o número de transistores. Página 38

4 Figura 13: exemplo de memória RAM ROM Memória ROM (Read Only Memory Memória Apenas para Leitura) é um tipo de memória que contém instruções permanentes. Nela estão localizadas rotinas que inicializam o computador quando ele é ligado. É não-volátil, ou seja, os dados não são perdidos com a ausência de energia. Ao ser ligado, o computador precisa saber, logo de início, o que ele deve executar. É justamente o que a ROM fornece. Ela possui 3 programas que funcionam logo que o computador é ligado. São eles: BIOS, POST e SETUP. Falaremos sobre esse assunto quando estudarmos as placas-mãe Cache Se na época do 386 a velocidade das memórias já era um fator limitante, imagine o quanto esse problema não atrapalharia o desempenho dos processadores que temos atualmente. Para solucionar esse problema, começou a ser usada a memória cache, um tipo ultra-rápido de memória que serve para armazenar os dados mais frequentemente usados pelo processador, evitando na maioria das vezes que ele tenha que recorrer à comparativamente lenta memória RAM. Sem ela, o desempenho do sistema ficará limitado à velocidade da memória RAM, podendo cair em até 95%. Atualmente as memórias cache estão sendo embutidas nos próprios processadores e divididas em níveis (Levels). Assim, será muito comum você encontrar na embalagem dos processadores textos como cache L1 ou L2 (Level 1 ou Level 2). Apesar de as memórias cache serem muito mais rápidas do que as memórias RAM, elas não são largamente empregadas devido ao alto custo de produção. Este tipo de memória tem a característica de manter os dados armazenados por mais tempo sem precisar de refresh, que é uma forma de acender os dados que já estavam gravados nela. Assim, essas memórias ficam limitadas a pequenos tamanhos que servem apenas como uma memória intermediária para armazenar os resultados mais recentes. Página 39

5 Uso da memória A estrutura do PC original separava 1 MB (Megabyte) de memória em 16 blocos de 64 KB (Kbytes). Nos PCs modernos esse modelo continua valendo. Para um sistema operacional antigo trabalhar, como o DOS (Disk Operating System Sistema Operacional de Disco), apenas 1 MB de memória RAM era suficiente e era só o que ele reconhecia. Assim, os programas desenvolvidos para funcionar sobre esse sistema operacional precisavam seguir a mesma tecnologia de acesso à memória. Com o passar dos anos, mais memória era necessária para que programas maiores (como editores de texto e planilhas eletrônicas) funcionassem. Desse modo foram criados vários artifícios que fizeram com que o DOS reconhecesse esse adicional de memória. Mas isso é assunto para estudo dos sistemas operacionais. As versões mais recentes dos SO manipulam vários gigabytes de memória. [1] TORRES, Gabriel. Hardware Curso Completo. 3. ed. Axcel Books, Página 40

6 4.3. DISCO RÍGIDO Também chamado de hard disk ou HD, o disco rígido serve como unidade de armazenamento permanente, guardando dados e programas. Figura 14: um disco rígido (visão de cima) Os discos rígidos possuem internamente uma divisão lógica delimitada de forma magnética. Essa divisão forma porções do disco denominada setores. Se não fosse assim, os discos não teriam como gravar arquivos e nem como localizá-los mais tarde. O processo que cria os setores no disco denomina-se formatação, quando são criados ou recriados todos os setores do disco, apagando, consequentemente, todo o seu conteúdo. Na verdade, os discos magnéticos dos HDs são selados, pois a superfície magnética onde são armazenados os dados é extremamente fina e sensível. Qualquer grão de poeira que chegasse aos discos poderia causar danos à superfície, devido à enorme velocidade de rotação dos discos. Fotos em que o HD aparece aberto são apenas ilustrativas; no mundo real ele é apenas uma caixa fechada sem nenhuma graça Composição dos discos e velocidade de rotação O HD armazena os dados em discos magnéticos que mantêm a gravação por vários anos. Os discos giram a uma grande velocidade e um conjunto de cabeças de leitura, instaladas em um braço móvel, faz o trabalho de gravar ou acessar os dados em qualquer posição nos discos. Junto com o CD-ROM, o HD é um dos poucos componentes mecânicos ainda usados nos micros atuais e, justamente por isso, é o que normalmente dura menos tempo (em média de três a cinco anos de uso contínuo) e que inspira mais cuidados. Os discos rígidos típicos atualmente chegam a 7200 rpm (rotações por minuto). Entretanto, existem discos rígidos com rotações bem maiores, como os discos rígidos SCSI, que chegam a rpm. [Morimoto, 2002]. Página 41

7 Cache de armazenamento (buffer) Assim como no caso dos processadores, o cache é um componente importante para o desempenho do HD. Ele armazena os dados acessados, diminuindo bastante o número de leituras. Dados armazenados no cache podem ser transferidos quase que instantaneamente, usando toda velocidade permitida pela interface SATA ou IDE, enquanto um acesso a dados gravados nos discos magnéticos demoraria muito mais tempo. [Morimoto, 2007]. O uso de buffer se faz necessário porque as leituras dos dados armazenados no disco são mais lentas que o tempo gasto para acessar a memória. Assim, uma quantidade de dados é lida e já gravada nesse buffer, liberando o HD para fazer as outras leituras Interfaces de conexão de discos com a placa-mãe Na evolução dos computadores, os meios e formas de conectar dispositivos na placa-mãe também foram sofrendo várias alterações. a) Discos rígidos com interface IDE/ATA Os discos rígidos antigamente possuíam interface de conexão do tipo IDE (Integrated Drive Electronics Drive Eletrônico Integrado)/ ATA. O termo ATA designa Advanced Technology Attachment ou Interface de Tecnologia Avançada e tornou possível o uso de até 4 unidades IDE (2 por interface). Essas interfaces utilizavam cabos do tipo flat, como mostrado na figura 15. Até os dias de hoje, esses discos rígidos ainda são fabricados. Figura 15: um típico cabo flat IDE (em preto) de 80 vias conectado na placa-mãe. b) Discos rígidos com interface SATA A partir de certo ponto, ficou claro que o padrão IDE/ATA estava chegando ao seu limite. Surgiu então o SATA (Serial ATA). SATA é um barramento serial, onde é transmitido um único bit por vez em cada sentido. Isso elimina os problemas de sincronização e interferência encontrados nas interfaces paralelas, permitindo que sejam usadas frequências mais altas. [Morimoto, 2007]. Página 42

8 Figura 16: um cabo SATA típico 4.4. PLACA-MÃE No início, as placas-mãe serviam simplesmente como uma interface entre os demais componentes, uma placa de circuito sem vida própria. Com o passar do tempo, mais e mais componentes passaram a ser integrados à placa-mãe, dando origem às placas atuais, que incluem vídeo, som, rede e outros periféricos onboard. [Morimoto, 2007]. Podemos encontrar nomenclaturas diferentes para placa-mãe: mainboard e motherboard são as principais delas. Essa placa contém as vias de interligação entre os dispositivos mostrados no modelo de Von Neumann, ou seja, processador, memória e barramento. Figura 17: arquitetura de uma placa-mãe típica. Página 43

9 O modelo apresentado na figura 17 é simplificado, pois existe uma série de dispositivos que estão ocultos. Nela podemos perceber a existência do chipset, que é o componente que faz a interligação entre os outros diversos componentes existentes no computador. Os chipsets são denominados também de ponte, afinal, normalmente é a ponte que faz a ligação entre dois extremos; neste caso os extremos são os componentes que precisam trocar dados como memória e processador, por exemplo. Os chipsets podem ser divididos entre ponte norte e ponte sul. Na ponte norte conectam-se os dispositivos de alta velocidade, como placas de vídeo rápidas e memórias. Na ponte sul conectam-se dispositivos de baixa velocidade, como portas seriais, dispositivos USB (Universal Serial Bus Barramento Universal Serial) e interfaces IDE e SATA. Antigamente existia a polêmica entre usar placas-mãe com ou sem componentes onboard. Hoje em dia isso não existe mais, pois todas as placas vêm com som e rede onboard. Apenas alguns modelos não trazem vídeo onboard, atendendo ao público que vai usar uma placa 3D offboard e prefere uma placa mais barata ou com mais slots PCI. Slots PCI Barramento PCI-e Soquete CPU Chipset Ponte Norte Chipset Ponte Sul Slots de Memória SATA Conector IDE Figura 18: uma típica placa-mãe Página 44

10 Reforçando: Chipset é um circuito (chip) integrado à placa-mãe, responsável por controlar todas as suas funções. É uma espécie de mestre da placa, que coordena todos os acessos aos dispositivos que compõem sua estrutura. As placas-mãe podem vir em diferentes formatos e tamanhos. As mais antigas tinham o formato AT; atualmente é mais comum o formato ATX. Vejamos um pouco mais. Placas-mãe AT (Advanced Technology Tecnologia Avançada): utilizada de 1983 até Um dos fatores que contribuíram para que o padrão AT deixasse de ser usado (e o ATX fosse criado) é o espaço interno reduzido, pois a instalação dos vários cabos do computador (flat cable, de alimentação), dificultava a circulação de ar, acarretando, em alguns casos, danos permanentes à máquina devido ao superaquecimento. Placas-mãe ATX (Advanced Technology Extended Tecnologia Avançada Estendida): padrão introduzido pela Intel com o objetivo de oferecer mais espaço para uma gama maior de dispositivos, utilizando de forma otimizada os espaços ocupados pelos componentes instalados no gabinete ou na própria placa-mãe. O uso de fontes de alimentação mais eficientes e o desligamento automático (por um comando do sistema operacional) também foram introduzidos neste padrão. CAPÍTULO 4 ATIVIDADE 2 Sabemos que os discos rígidos e as placas-mãe evoluíram muito desde os primórdios de sua criação até hoje. As empresas que guardam grandes volumes de dados necessitam de discos rígidos de alta capacidade de armazenamento, muito mais rápidos e interfaces de conexão cada vez mais rápidas. Sendo assim, faça um trabalho com o título Data Storage: meios de armazenamento em massa PLACA DE VÍDEO Originalmente, as placas de vídeo eram dispositivos simples, que se limitavam a mostrar o conteúdo da memória de vídeo no monitor. A memória de vídeo continha um simples bitmap da imagem atual, atualizada pelo processador e um componente que convertia os dados digitais da memória de vídeo em dados analógicos para serem enviados ao monitor. Página 45

11 Bitmap ou mapa de bits: são imagens formadas por grupos de bits que contêm a descrição de cada pixel. Um bitmap pode ser preto-e-branco ou colorido. Há um padrão chamado RGB, do inglês Red, Green, Blue, que utiliza três números inteiros para representar cada uma das cores primárias, vermelho, verde e azul. Um pixel você pode entender como sendo um ponto da tela. Uma imagem pode ser formada por milhares de pixels Processador gráfico As placas de vídeo passaram por uma revolução muito grande quando começou a ser necessário aliviar o processador principal de executar cálculos para mostrar imagens mais bem definidas na tela. Surgiram então as placas aceleradoras com capacidade de calcular e gerar em tempo real as imagens em 2D e 3D (bidimensionais e tridimensionais). Gráficos 3D são gerados de uma forma fundamentalmente diferente da de uma imagem bidimensional (como uma janela do navegador ou do editor de textos, por exemplo). Imagens bidimensionais são apenas um conjunto de pixels, bitmaps que depois de montados podem ser enviados diretamente ao monitor, sem necessidade de processamento adicional. Imagens 3D, por sua vez, são formadas por polígonos, texturas e outros componentes, que são armazenados sob a forma de cálculos, comandos e coordenadas na memória da placa de vídeo. Para ser exibida no monitor, a imagem precisa ser renderizada, processo no qual as informações são interpretadas pela placa 3D e transformadas em uma imagem bidimensional, que pode então ser exibida no monitor. [Morimoto, 2007]. Na placa de vídeo, o processador responsável por executar essa tarefa denomina-se GPU (Graphics Process Unit Unidade de Processamento Gráfico). Figura 19: exemplo de placa de vídeo com GPU de alta capacidade. Fonte: Advanced Micro Devices, AMD. Acesso em 14/01/2009 Página 46

12 Memórias de vídeo Não existe nenhuma diferença fundamental no tipo de memória RAM e o utilizado nas placas de vídeo. Elas podem utilizar os mesmos tipos de chips de memória utilizados na memória principal do computador. A diferença básica é que alguns fabricantes optam por adotar memórias com frequências mais elevadas, aumentando o desempenho principalmente em imagens 3D. Na memória de vídeo ficam armazenados os pixels que serão enviados para o monitor. Quanto mais elaborado for o programa gráfico (um jogo em 3D, por exemplo), mais cores precisam ser mostradas, havendo necessidade de mais memória de vídeo. De muita importância, as memórias de vídeo complementam e incrementam os computadores atualmente. Designers gráficos, animadores de desenhos em 3D, projetistas, engenheiros, games maníacos, entre várias outros usuários, necessitam de computadores cujas interfaces de vídeo tenham cada vez mais memória para processar suas informações gráficas Interfaces de conexão de vídeo com a placa-mãe Estudaremos mais adiante, no capítulo 5, de atualização, que as interfaces ou placas de vídeo podem ser instaladas no que chamamos de slot de expansão. Os slots de expansão são estruturas que fazem parte da placamãe do computador, onde são instalados diversos tipos de placas. Atualmente, as placas de vídeo podem ser instaladas em 3 tipos de slots: a) Placas de vídeo para slots PCI: são as mais antigas, porém ainda estão no mercado. São mais lentas, pois o próprio slot que faz parte da placa-mãe já é uma tecnologia obsoleta. b) Placas de vídeo para slots AGP: são mais rápidas, podendo ser conectadas diretamente ao chipset da placa-mãe, possuindo uma largura de banda de 2133 MB/s. Atualmente, esse tipo de placa está saindo de mercado. c) Placas de vídeo para slots PCI-express: é uma versão melhorada do PCI. Atualmente são as placas de vídeo mais rápidas do mercado. Chegam à incrível largura de banda de 4 GB/s. Largura de banda refere-se a uma quantidade de dados que pode trafegar entre dois caminhos. No caso da largura de banda ser de uma placa de vídeo, o termo se refere ao caminho entre o slot da placa de vídeo e o chipset da placa-mãe. Página 47

13 Figura 20: uma placa de vídeo PCI Figura 21: uma placa de vídeo AGP Figura 22: uma placa de vídeo PCI-express Página 48

14 4.6. DISPOSITIVOS DE LEITURA/GRAVAÇÃO Neste tópico veremos os principais dispositivos de mídia utilizados para leitura e gravação de arquivos que podem ser levados com a gente. Nesse rol, entram os dispositivos óticos, como gravadores de CD e DVD, disquetes e os leitores de cartões de memória, que se tornaram muito comuns Unidades de CD/DVD (RW) O lançamento das unidades de gravação de CD para computador causou grande impacto em muitos segmentos da economia, pois se podia copiar praticamente qualquer CD utilizando esse aparelho. Geralmente são chamados de CD-R drives, ou simplesmente gravadores de CD. No processo de gravação, o laser cria sulcos na superfície lisa do CD. Essas pequenas depressões definem qual bit está gravado. Os CD-R podem ser gravados apenas uma vez. Já os CD-RW (rewritable regravável) podem ser utilizados centenas de vezes. A capacidade de armazenamento de um CD-R ou CD- RW está em torno de 700 MB. Os CD-RW (CD-ReWritable), segundo alguns fabricantes, podem ser regravados cerca de 1000 vezes. Os gravadores de DVD possuem o mesmo formato de um gravador de CD, sendo, entretanto, mais potentes, pois possuem normalmente mais memória de buffer e conseguem maior velocidade de gravação. Figura 23: um típico gravador de CD interno Os DVDs típicos podem armazenar ou gravar até 4,7 GB de dados apenas de um lado. Se o disco for do tipo Double Layer, ele pode armazenar até 9.4 GB de dados por lado, totalizando aproximadamente 18 GB de dados. Página 49

15 Figura 24: um típico gravador de DVD interno Velocidades das unidades: todas as unidades leitoras/ gravadoras de CD/DVD informam as suas velocidades de leitura e gravação, que fornecem uma idéia da capacidade que a unidade pode ter. No capítulo 5 veremos mais detalhadamente as informações referentes a essas propriedades Unidades de disquete Os disquetes são meios de armazenamento que, apesar de obsoletos e não confiáveis, ainda resistem em vários computadores; geralmente as placas-mãe vêm com essa interface. São discos flexíveis formados por uma camada de óxido de ferro e com uma proteção plástica. Possuem capacidade de leitura e gravação na ordem de 1.44 MB, muito pequena para os dias de hoje Unidades leitoras de cartão Essas unidades, que agora tendem a compor os computadores em substituição às antigas unidades de disquete, são bem flexíveis quanto aos tipos de cartões de memória que podem ler (aproximadamente 30 tipos). Assim, se você possui um memory card de sua câmera digital, de seu MP3, de sua filmadora ou de qualquer outro meio digital que esteja utilizando, fica mais fácil ler o conteúdo tendo instalado no micro um leitor desses cartões. Figura 25: um leitor de cartão interno Página 50