HARDWARE FUNDAMENTAL. Unidade de sistema CPU Memória Primária Bus ou Barramento

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1 HARDWARE FUNDAMENTAL Unidade de sistema CPU Memória Primária Bus ou Barramento

2 Um computador é um sistema capaz de processar informação de acordo com as instruções contidas em programas, independentemente da natureza física dos suportes que armazenam e processam essa informação. Na década de 50, um matemático americano de CPU Unidade de Controlo nome John Von Neumann apresentou um esquema que ilustrava as unidades principais de um Unidade Aritmética E Lógica computador pessoal. Este esquema ainda hoje é referencia de estudo. Dispositivos de Leitura Memória Dispositivos de Escrita

3 Existe uma placa electrónica onde estão fisicamente ligados todos os dispositivos que fazem parte do hardware. A essa placa dá-se o nome de placa-mãe ou motherboard. O manual dos equipamentos é uma ferramenta indispensável para podermos utilizar todas as suas potencialidades. Por exemplo, para sabermos qual a gama de microprocessadores que uma determinada motherboard suporta.

4 CPU A CPU ou UCP (Unidade Central de Processamento), também chamada de processador ou microprocessador, é o cérebro do computador. É no processador que são feitos os cálculos lógicos e aritméticos e o controlo de toda a máquina. A CPU é um circuito integrado (chip) de vital importância para o computador. Dentro de um processador existem milhões de transístores.

5 CPU A velocidade de um sistema é definido principalmente por: 1. Arquitectura do processador 2. Velocidade do relógio (clock) interno 3. Velocidade do relógio do barramento de dados (clock externo) O clock é uma forma de indicar o número de instruções que podem ser executadas a cada segundo (ciclo). A sua medição é feita em Hz (sendo que KHz corresponde a mil ciclos, MHz corresponde a 1000 KHz e GHz corresponde a 1000 MHz). Assim, um processador Pentium II 800 MHz, indica que o mesmo pode realizar 800 milhões de ciclos por segundo. Algumas instruções podem precisar de vários ciclos para serem executadas, enquanto outras, necessitam de um só ciclo.

6 CPU Clock interno: o clock interno indica a frequência na qual o processador trabalha. Portanto, num Pentium 4 de 2,8 GHz, o "2,8 GHz" indica o clock interno. Este geralmente é obtido através de um multiplicador do clock externo. Por exemplo, se o clock externo for de 66 MHz, o multiplicador terá de ser de 3x para fazer com o que processador funcione a 200 MHz (66 x 3). Clock externo: também conhecido como FSB (Front Side Bus), o clock externo, por sua vez, é o que indica a frequência de trabalho do barramento (conhecido como barramento externo) de comunicação com a placa-mãe (na verdade, chipset, memória, etc.). Por exemplo, o processador AMD Sempron trabalha com clock externo de 333 MHz.

7 CPU Existem dois tipos de microprocessadores em função da sua arquitectura de funcionamento: O processador CISC (Complex Instruction Set Computer) Possui um conjunto complexo de instruções que o tornam capaz de executar várias centenas de operações, sendo, portanto, muito versátil. Mas também mais caro. O processador RISC (Reduced Instruction Set Computer) Possui um conjunto limitado de instruções que o tornam capaz de executar apenas algumas operações simples. Actualmente, os processadores comercializados possuem características de ambas as arquitecturas.

8 CPU O poder dos microprocessadores tem vindo sempre a aumentar, o grande segredo desta evolução deve-se à cada vez maior possibilidade de miniaturização por parte das industrias de componentes electrónicos. Foi justamente a miniaturização dos transístores que permitiu criar o circuito integrado, em seguida o microchip e processadores com cada vez mais transístores, podendo operar com frequências cada vez mais elevadas.

9 CPU Nanotecnologia e a fabricação de chips A nanotecnologia é o desenvolvimento de técnicas para manipulação direta de átomos e moléculas. No futuro essas técnicas serão usadas em inúmeras aplicações, como por exemplo, a construção de máquinas microscópicas. A fabricação de chips é uma área que ruma cada vez mais ao uso da nanotecnologia. Os chips modernos são formados por milhões de transístores. O velho processador 80486, lançado em 1989, tinha pouco mais de 1 milhão de transístores, e cada um deles media aproximadamente 1 micron (ou seja, 1 milésimo de milímetro). O Pentium 4, no seu lançamento, já tinha 42 milhões de transístores, e cada um deles media 0,18 microns. A actual geração de processadores Pentium 4 utiliza transístores de 0,13 microns e de 0,09 microns. Assim como vimos recentemente passar do uso de MHz a GHz para indicar a velocidade dos processadores, estamos também a passar a utilizar a unidade nm (nanometros) para medir os minúsculos transístores que formam os chips. Um nm é igual a 0,001 micron, o mesmo que 0, milímetro ou 0, metro.

10 CPU O aumento do número de transístores e da frequência de processamento trouxe um incremento do consumo de energia e, consequentemente, da temperatura no interior do microprocessador. Para arrefecer o componente, utilizam-se dissipadores e ventoinhas. O dissipador (cooler) é um elemento metálico (bom condutor de calor) que está associado ao processador e que, em contacto com o ar, liberta o calor excessivo. Para aumentar o poder de dissipação deste elemento, utilizam-se ventoinhas.

11 CPU A CPU, segundo o esquema de Von Neumann é dividida em duas unidades: ULA ou ALU (Unidade Lógica e Aritmética) é nesta unidade que são efectuados os cálculos: operações aritméticas e lógicas. UC (Unidade de Controlo) controla, directa ou indirectamente, toda a máquina, até mesmo a ULA. A UC cuida do endereçamento de memória, colocando e retirando s dados, envia os dados para a ULA, juntamente comas operações que ela deve realizar e confere os resultados devolvidos pela ULA.

12 CPU Existem ainda outras unidades na estrutura de um processador: - Unidade de descodificação (Decode unit) - Unidade de Registos (registers) - Unidade de Vírgula Flutuante (FPU) - Unidade de memória cache interna - Unidade de Segmentação e Unidade de Paginação - Unidade de Pré-escolha (Prefetch) - Unidade de ligação com o bus (Bus Interface Unit) - Bus externo de dados (Data Bus) - Bus externo de endereços (Adress Bus)

13 CPU Fisicamente, o microprocessador é encaixado em locais próprios na placa-mãe. Podem ser chamados socket ou slot, dependendo do tipo de processador. Socket LGA775

14 Memória Primária As memórias são dispositivos que permitem armazenar dados, instruções e resultados. As memórias primárias (centrais) comunicam directamente com o processador, estão perto dele e armazenam temporariamente (RAM e cache) ou não (ROM) pequenas quantidades de informação. Elas desempenham funções fundamentais para o funcionamento de um computador. A memória está organizada em células. Cada célula é uma unidade básica de armazenamento, podendo conter dados ou instruções. A cada célula corresponde um número, que constitui o seu endereço.

15 Memória Primária A memória central é constituída por três tipos de memória distintos: Memória RAM Memória ROM Memória cache

16 Memória Primária RAM A sigla RAM deriva da expressão Random Access Memory, que significa memória de acesso aleatório. Os dados armazenados nesta memória podem ser lidos, escritos e apagados pelo processador. Quando ligamos o computador é inserida na RAM a informação que o processador necessita para o seu funcionamento.

17 Memória Primária RAM Os chips de memória são basicamente constituídos pelo conjunto condensador/transístor, que é repetido alguns milhões de vezes. O condensador é um componente electrónico que armazena corrente eléctrica; quando o condensador está carregado electricamente temos o bit 1, quando ele está descarregado, temos o bit 0. Para cada condensador temos um transístor (outro componente electrónico), encarregado de ler o bit armazenado no seu interior e transmiti-lo ao controlador de memória. O controlador de memória faz parte do chipset que está localizado na motherboard e permite ler e gravar dados na memória e controlar todo o trânsito de dados entre a memória e os demais componentes do computador.

18 Memória Primária RAM Classificação da memória RAM quanto à sua forma física: Módulo DIP (Dual In-Line Package); Módulo SIMM de 30 contactos (Single In-Line Memory Module); Módulo SIMM de 72 contactos; Módulo DIMM de 168 contactos (Double In-Line Memory Module); Módulo SODIMM de 72, 144 e 200 contactos (Small Out-Line DIMM) Módulo DIMM de 184 contactos;

19 Memória Primária RAM Classificação da memória RAM quanto à tecnologia: DRAM (Dynamic RAM) Associada a módulos SIMM; FPM RAM (Fast Page Mode RAM) Associada a módulos SIMM; EDO RAM (Extended Data Out RAM) Associada a módulos SIMM; BEDO RAM (Burst Extended Data RAM) Associada a módulos SIMM; SDRAM (Syncronous Dynamic RAM) Associada a módulos SIMM ou DIMM; VRAM (Vídeo RAM) DDR (Double Data Rate) Associada a módulos DIMM ou SODIMM; DDR2

20 Memória Primária ROM A memória ROM (Read Only Memory) é apenas de leitura. Têm como função o armazenamento de instruções básicas sobre o hardware do computador, tais como as rotinas de arranque, rotinas de teste de dispositivos de hardware e todas as instruções necessárias para que o processador reconheça e interaja correctamente com os dispositivos de entrada e/ou saída. A ROM é incluída na motherboard a partir de fábrica, com as instruções necessárias para o bom funcionamento do sistema.

21 Memória Primária ROM A memória ROM é constituída por três tipos de programas: BIOS (Basic Input Output System) Permite ao processador trabalhar com periféricos básicos (ex.: teclado, unidade de disquetes). POST (Power-On Self Test) Autoteste de inicialização, realizado sempre que o computador é inicializado. SETUP (Configuração do Sistema) programa de configuração do hardware de computador. Essa configuração pode ser feita manualmente pelo utilizador através da escolha de várias opções num interface próprio.

22 Memória Primária ROM Existem, fundamentalmente, três tipos de memória ROM segundo a forma de gravação: PROM (Programmable Read Only Memory) A informação pode ser gravada uma só vez. EPROM (Erasable and Programmable ROM) A informação pode-se gravar e apagar um determinado número de vezes. EEPROM (Electricaly EPROM) ou EAROM Podem ser programadas electronicamente sem as retirar do seu local na motherboard.

23 Memória Primária Cache O processador é muito mais rápido que a memória RAM. Isto faz provoca uma subutilização quando é necessário enviar muitos dados consecutivamente, durante grande parte do tempo o processador fica à espera que a RAM fique liberta para receber novos dados. Para que isto não acontece é utilizada a a memória Cache, uma memória do tipo SRAM (Static RAM) mais rápida do que a RAM. Os dados são lidos da RAM e copiados para a Cache. Estando esses dados na Cache o processador acede mais rapidamente a eles quando necessita. Existe menos tempo de espera do processador para receber/enviar dados.

24 Memória Primária Cache A memória Cache é encontrada em dois níveis: Memória Cache L1 (Level 1 Nível 1) Presente dentro do microprocessador ou Cache interna. A sua capacidade pode ir até aos 128KB, divididos em duas partes, uma para dados, outra para instruções. Memória Cache L2 (Level 2 Nível 2) Presente na motherboard ou dentro do processador. Quando é externa a sua capacidade depende do Chipset presente na motherboard. Quando é interna a sua capaciade varia de 128KB a 2MB

25 Memória Primária Cache As memórias estáticas quanto à sua tecnologia: Asynchronous SRAM Utilizada a partir do 386, com frequência de funcionamento acima de 33MHz e tempos de acesso entre 20 e 12 ns (nanosegundos). Synchronous SRAM A melhor para computadores com frequência de funcionamento até 66MHz e tempos de acesso entre 12 e 8,5 ns. Pipeline Burst SRAM Para computadores com frequência de funcionamento até 133MHz e tempos de acesso entre 8 e 4,5 ns. Custom SRAM Consegue trabalhar com a mesma frequência de funcionamento do processador, com tempo de acesso de 400MHz.

26 Bus ou Barramento O processador e os restantes dispositivos electrónicos comunicam entre si através de canais de comunicação aos quais se dá o nome de barramentos ou bus. Existem três tipos de barramentos relativamente ao tipo de dados que neles circulam: Barramento de dados Barramento de endereços Barramento de controlo

27 Bus ou Barramento Tipos de barramentos: Barramento de dados são os condutores por onde circulam os dados que o processador vai buscar à memória RAM ou aos dispositivos de I/O. Barramento de endereços Neste canal circulam os endereços, das posições de memória ou de dispositivos de I/O, dos dados que a CPU necessita. Barramento de controlo Barramento onde circulam sinais (eléctricos) que controlam os dispositivos electrónicos para que o sistema possa ler/escrever os dados.

28 Bus ou Barramento Tipos de arquitecturas: ISA (Industry Standard Architecture) MCA (Micro Channel Architecture) EISA (Extended Industry Standard Architecture) VLB (Video Electronics Standard Association Local Bus) PCI (Peripheral Component Interconnect) AGP (Accelerated Graphics Port) AGP PRO USB (Universal Serial Bus) FireWire IrDA

29 Bus ou Barramento PCI (Peripheral Component Interconnect) Com barramentos de 32 ou 64 bit para funcionar a 33 MHz, 66 MHz e 133 MHz; Conceito de configuração automática (Plug and Play); Velocidade de transmissão com o processador de 132MB/s até 1 GB/s; Cor branca com duas secções e contactos; Mais económico em energia e sistema universal; Neste tipo de slots pode-se ligar todo o tipo de placas preparadas para PCI.

30 Bus ou Barramento AGP (Accelerated Graphics Port) Barramento dedicado a placas gráficas; As PG podem aceder directamente à memória RAM para armazenar texturas; Configuração Plug and Play; Largura de banda de 32 bit, com frequência de 66 MHz. Vários tipos de padrões: 1x, 2x, 3x e 8x

31 Bus ou Barramento USB (Universal Serial Bus) Barramento universal; Taxas de transmissão de 12MB/s (versões 1.0 e 1.1) e 480MB/s (versão 2.0); Ligação de periféricos com o computador ligado; Ligação até 127 periféricos numa porta USB; Quantos mais dispositivos tivermos a funcionar menor se torna a taxa de transmissão entre cada um deles e o processador, dado que a largura de banda total é dividida por todos.

32 Bus ou Barramento PCI Express Cada conexão usada no PCI Express trabalha com 8 bits por vez, sendo 4 em cada direcção. A frequência usada é de 2,5 GHz, mas esse valor pode variar. O PCI Express 1X consegue trabalhar com taxas de 250 MB por segundo, um valor bem maior que os 132 MB do padrão PCI. Actualmente, o padrão PCI Express trabalha com até 16X, o equivalente a 4000 MB por segundo. comparadas às taxas do padrão AGP. A tabela compara as taxas do PCI Express com as do AGP : AGP 1X: 266 MBps AGP 4X: 1064 MBps AGP 8X: 2128 MBps PCI Express 1X: 250 MBps PCI Express 2X: 500 MBps PCI Express 8X: 2000 MBps PCI Express 16X: 4000 MBps

33 Bus ou Barramento Links de interesse: