Coleção Resumos para 34 Concursos Organizadores Frederico Amado Lucas Pavione Tales Ferreira da Costa Informática 5 ª edição revista, atualizada e ampliada 2019
Capítulo 2 HARDWARE 1. CPU PROCESSADOR CENTRAL A UCP (CPU, do inglês, Central Processing Unity) é um conjunto altamente amplo e complexo de circuitos eletrônicos que executam instruções armazenadas de um programa, convertendo entrada de dados em saída de informação. O termo CPU é muitas vezes atribuído erroneamente ao gabinete do computador. Veja, CPU é o processador (Central Processing Unit) e gabinete é invólucro, caixa que abriga os componentes internos do computador, como a placa-mãe, as placas de expansão, memória, fonte etc., inclusive o processador (CPU). Uma CPU, ou processador, em um único chip chama-se microprocessador que também pode ser chamado de chip lógico, quando é usado para controlar dispositivos especializados. Os microprocessadores contêm milhões de minúsculos transistores, que são comutadores eletrônicos, que podem permitir ou não a passagem de corrente elétrica, uma espécie de chave.
32 vol. 34 INFORMÁTICA Tales Ferreira da Costa Há duas arquiteturas aplicadas aos processadores, a CISC e a arquitetura RISC: A arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computing, traduzindo: Computador com um Conjunto Complexo de Instruções), usada em processadores Intel e AMD, possui um grande conjunto de instruções que são armazenadas em uma pequena memória não volátil interna do processador. Já a arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computing, ou traduzindo, Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções) usada em processadores PowerPC (da Apple, Motorola e IBM) e SPARC (SUN), possui um conjunto pequeno de instruções implementadas diretamente em hardware da CPU. Nesta técnica não é necessário realizar a leitura em uma memória e, por isso, a execução das instruções é muito rápida. Por outro lado, as instruções são muito simples e para a realização de certas tarefas são necessárias mais instruções que neste padrão RISC. A CPU consiste em duas partes básicas: a unidade de controle e a unidade lógica e aritmética. UCP Unidade Central de Processamento UC - Unidade de Controle ULA Unidade Aritmética A unidade de controle (UC) coordena a execução das instruções de programas comunicando-se com a unidade lógica e aritmética e a memória (componentes estes do sistema, que de fato executam o programa). A unidade lógica e aritmética (ULA): A unidade lógica e aritmética contém os circuitos eletrônicos que executam todas as operações lógicas e aritméticas, podendo realizar os quatro tipos de operações: adição, subtração, multiplicação e divisão, como também, executam operações lógicas ou comparações. Além das unidades da CPU, é importantíssimo o conhecimento sobre clock, que basicamente define a velocidade de um processador. 1.1. Clock O Clock, do inglês relógio, é o ritmo que o processador trabalha, ou seja, a frequência com que ele lê as instruções. O clock é usando em circuitos eletrônicos síncronos (sincronizados) para sincronizar
Cap. 2 Hardware 33 as operações de dois ou mais dispositivos. Quando os dispositivos do computador recebem um sinal para executar suas atividades, chama-se este sinal de pulso de clock. Em cada pulso, os dispositivos executam suas tarefas, param e aguardam o próximo ciclo de clock. A unidade de medida do clock é hertz (Hz), que é a unidade padrão de medidas de frequência, a qual indica o número de oscilações ou ciclos que ocorrem dentro de um determinado espaço de tempo. Assim, se um processador trabalha a uma frequência de clock de 1MHz, por exemplo, significa que ele é capaz de processar 1 milhão (1M, M de mega = 10 6 ) ciclos de clock por segundo, já que espaço de tempo padrão é o segundo. Portanto, quanto maior o clock, menor o tempo de execução e, assim, mais rápido será o processador. Contudo, outros fatores são determinantes na efetiva velocidade de um processador como, por exemplo, a quantidade de memória cache (memória interna do processador), a quantidade de núcleos, o barramento, sua tecnologia etc. CLOCK C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 Ciclo máquina M1 M2 M3 (busca do código (leitura da memória (escrita na memória de operação Ciclo de instrução TEMPO segundo 2 us O aumento do clock, chamado de overclock, é uma técnica utilizada para elevar o clock nominal do processador, como também de outros componentes como memórias, placas de vídeo e placa-mãe. Alguns processadores têm seu clock especificado pelo fabricante abaixo de sua capacidade total, para evitar riscos de danos ao componente, mas, permitem que esse clock seja redefinido. Overclock consiste em fazer com que o processador trabalhe acima da velocidade especificada pelo fabricante, a fim de conseguir um melhor desempenho. Entretanto, quanto maior o clock maior a energia empregada e, portanto, maior a dissipação de calor. Sendo assim, o aumento do clock tem efeito contrário na refrigeração, ou seja, aquece o sistema. E mais, podem ser causados danos aos componentes, inclusive chegando a inutilizá-los.
34 vol. 34 INFORMÁTICA Tales Ferreira da Costa Por conta do excesso de aquecimento gerado do incremento constante da frequência do clock dos processadores, durante sua evolução pelos tempos, apareceram limitações na evolução do desempenho destes chips, se considerarmos apenas o aumento de frequência. Foi criada, então, uma nova forma de tratar o processamento: a implementação de mais de um núcleo nos processadores, a exemplo do núcleo duplo que chegou ao mercado em 2006. Os chips de núcleo duplo, como a linha Duo Core da Intel e X2 da AMD, possuem dois núcleos ativos de processamento, ao contrário do único núcleo como acontece em chips convencionais. Com mais de um núcleo (multicore ou multinúcleo), o processador divide as funções de controle entre os seus núcleos, trabalhando assim com frequências mais baixas, melhorando muito o acesso à memória RAM do computador. Já temos, atualmente, chips de oito núcleos, incrementado ainda mais a capacidade de processamento. \\ ATENÇÃO Em processadores de múltiplos núcleos, o sistema operacional trata cada um desses núcleos como um processador diferente. Os dois núcleos não somam a capacidade de processamento, mas dividem as tarefas entre si. A maioria dos processadores multicore possui, cada um, seu próprio cache e pode processar várias instruções simultaneamente, definitivamente com se tivéssemos dois processadores separados. \\ ATENÇÃO Mas, afinal, existe diferença entre Duo Core e Core dois Duo? Veja: dual core é qualquer processador que tenha dois núcleos, já Core 2 Duo é uma marca patenteada de processadores do fabricante Intel. Desta forma, Core 2 Duo não pode ser utilizado por outros fabricantes como a AMD. Vale lembrar que os processadores Core não recebem mais a nomenclatura Pentium e que hoje já temos processadores de oito núcleos no mercado e previsão para lançamento de 32 núcleos. 1.1.1. Clock interno O clock interno é a forma de indicar o número de instruções que um processador é capaz de processar em um intervalo de um segundo. A medida desta grandeza é o Hertz (Hz). O clock interno é obtido através de um multiplicador do clock externo, por exemplo, se o clock externo for de 133 MHz, e o processador operar com um multiplicador de 6x, o processador terá um clock interno de 800MHz (aproximadamente 133 x 6).
Cap. 2 Hardware 35 1.1.2. Clock externo Já o clock externo, também conhecido como Front Side Bus (FSB), ou barramento frontal em português, é o indicador da frequência do barramento externo de comunicação entre o processador e a placa- -mãe, demais componentes e, principalmente, a memória. Temos, ainda no processador, algumas memórias, que irão ser tratadas mais a seguir, a saber: REGISTRADORES e memórias de cache. 1.1.3. Unidade de ponto Flutuante Todo processador moderno possui, no seu interior, uma unidade de ponto flutuante (FPU Floating Point Unit). A sua finalidade é a execução de operações matemáticas complexas, necessárias ao processamento científico e de engenharia, na geração de imagens tridimensionais e para jogos. É importante destacar que a Intel adota como nomenclatura para o clock interno apenas com clock e o externo de barramento frontal. EVOLUÇÃO Pentium Pentium MMX K5 K6 Atom Pentium Pro Pentium II Pentium III Pentium 4 Pentium D Core 2 Duo Core i7 Core i5 Celeron (Deschutes) Celeron (Coopermine) Celeron (Northwood) Celeron D Pentium E/ Celeron Core 2 Quad Core i3 K6-2 Athlon (K7) Athlon (Thunderbird) Athlon XP Athlon 64 Athlon X2 Phenon (X4 e X3) Phenon II (X4, X3 e X2) K6-3 Duron (Spitfire) Duron (Morgan) Sempron (32 bits) Athlon FX Sempron Athlon X2 (7xx) Athlon II X2 / X4
36 vol. 34 INFORMÁTICA Tales Ferreira da Costa 2. COOLER Os coolers são componentes com a finalidade de ajudar na refrigeração dos microchips e outros componentes. Eles são compostos por um ventilador instalado sobre um dissipador de calor (peça, geralmente de alumínio, instalada diretamente em contato com o processador - CPU). Também são comumente instalados sobre o dissipador de calor de outros microprocessadores, como os das placas de vídeos. Não é incomum encontrarmos o nome cooler relacionado apenas à ventoinha (ventilador). Coolers (ventoinhas) também são largamente utilizados em outras partes do computador, como na refrigeração interna do gabinete e em diversos outros equipamentos, como equipamentos de rede (switches, racks etc.), equipamentos de telecomunicação entre muitos outros.
Cap. 2 Hardware 37 3. MEMÓRIAS Memória pode ser definida como todo local no computador em que é possível armazenar informações. Memória também pode ser definida como a parte do computador que mantém dados e instruções por tempo indeterminado ou temporariamente, antes e depois de serem processadas pela CPU. Para que o processador possa executar suas tarefas, ele troca dados com a memória, salva e busca informações para o processamento. Há, basicamente, dois tipos de memória no computador: Memória principal e memória secundária. Contudo, não é incomum encontramos, ainda, a denominação de memória terciária. A diferença está no fato de que memória secundária não necessita de operações de montagem (inserção de uma mídia ou em um dispositivo de leitura e gravação), ao passo que a memória terciária depende das operações de montagem, como discos ópticos, pen drives, fitas magnéticas etc. A memória principal é a memória que o processador precisa acessar para enviar os dados, armazenando os dados temporariamente, acessadas diretamente pelo processador, com alta velocidade e desempenho. A memória principal pode ser subdividida em RAM (Random Access Memory, ou memória de acesso randômico) e a ROM (Ready Only Memory, memória somente de leitura). A RAM é uma memória volátil e ROM é do tipo não volátil. \\ ATENÇÃO Memórias voláteis e não voláteis são conceitos muito importantes. Memórias voláteis são as que requerem energia para manter a informação armazenada. Já as memórias não voláteis guardam e mantêm as informações mesmo sem alimentação. A memória secundária (memória de massa) é a parte do computador onde são armazenados os dados que não podem ser perdidos com o desligamento do sistema (HD s, CD s etc.), ou seja, são não voláteis, armazenando os dados de forma permanente. Além das memórias citadas anteriormente, também abordaremos os registradores e a memória Cache.
38 vol. 34 INFORMÁTICA Tales Ferreira da Costa 3.1. Memória RAM ou Memória Principal Memória principal é a parte do computador que mantém dados e instruções temporariamente, antes e depois de serem processadas pela unidade lógica e aritmética. A memória RAM (Random Access Memory) é a memória mais importante do computador, são os módulos de memória que são encaixados na placa-mãe, também chamados de pentes de memória. É para a memória RAM que são transferidos os programas (ou parte deles) e os dados que estão sendo trabalhados pelo processador. Este tipo de memória permite tanto a leitura como a gravação e a regravação de dados. No entanto, assim que os módulos deixam de ser alimentados eletricamente, ou seja, quando o computador é desligado, a memória RAM é apagada. Assim, a memória RAM é uma memória temporária, volátil. Daí vem a necessidade de salvar o resultado do processamento no disco rígido antes de desligá-lo (memória secundária). A razão da existência e importância da memória RAM está na sua velocidade de leitura dos dados, que é muito superior ao dos discos rígidos.
Cap. 2 Hardware 39 Todos os dados processados pelo computador são, em algum momento, ou por algum momento, armazenado em algum tipo de memória, seja ela uma memória volátil (RAM), que se apaga ao desligar o computador, ou outro tipo de memória, como o HD, que é uma memória de armazenamento em massa. Qualquer que seja a informação, seja ela uma foto ou uma letra que você digita em seu teclado para escrever em um documento de texto, será gravada em algum tipo de memória. A memória principal, também chamada de memória real, é a memória RAM do computador, aquela que pode ser identificada e verificada se clicarmos com o botão direito do mouse sobre o ícone Meu Computador, em seguida em propriedade, aba Geral, ou acessarmos o painel de controle, item Sistema, guia Geral. Sem a memória principal o computador não funciona. A memória RAM é um componente essencial, não apenas nos computadores pessoais (PC), mas para qualquer computador. Por maior que seja a capacidade dos discos rígidos e das memórias flash, é sempre necessária memória RAM e quanto maior a capacidade da RAM melhor. Os chips de memória RAM utilizam em sua fabricação a tecnologia de chips semicondutores, que têm as seguintes vantagens: confiabilidade, tamanho reduzido, baixo custo e menor consumo de energia. A memória semicondutora é volátil, requer corrente elétrica contínua para representar dados, se essa corrente for interrompida, os dados serão perdidos. Um chip é considerado monolítico porque todos os circuitos de um único chip, em conjunto, constituem uma unidade de armazenamento inseparável. Uma das principais tecnologias utilizada nestes chips é a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Existem hoje basicamente dois tipos de tecnologias empregadas em memórias RAM: SDR, SDRAM e DDR-SDRAM. As SDR s são as mais antigas, evoluindo para a SDRAM, As SDRAM s (Synchrous Dynamic RAM) são memória RAM capazes de trabalhar sincronizadas com os ciclos da placa-mãe, sem tempos de espera. Isto significa que a temporização de uma memória SDRAM é sempre de uma leitura por
40 vol. 34 INFORMÁTICA Tales Ferreira da Costa ciclo. Ou seja, o controlador de memória realiza apenas uma leitura por ciclo, enquanto as DDR são mais rápidas, pois fazem duas leituras por ciclo (pulso de clock). Como você já deve ter imaginado, a tecnologia DDR é a mais usada atualmente. Mais recentemente, temos a evolução da DDR-SDRAM (Double Date Rate ou Taxa de Transferência Dobrada) para a DDR2. Neles, o barramento de acesso à memória trabalha ao dobro da frequência dos chips de memória propriamente ditos. Isso permite que sejam realizadas duas operações de leitura por ciclo, acessando dois endereços diferentes. Como a capacidade de realizar duas transferências por ciclo introduzida nas memórias DDR foi preservada, as memórias DDR2 são capazes de realizar um total de 4 operações de leitura por ciclo, uma marca impressionante. Existem, ainda, outras melhorias, como o menor consumo elétrico, muito importante para o uso em notebooks. E, mais recentemente, temos as DDR3. Há, ainda, outros tipos de memórias RAM, que não são, ou praticamente não são mais utilizadas: SIPP (Single In-Line Pin Package): é o formato que deu origem ao termo pente de memória. É muito antigo, sendo utilizado nos arcaicos 386 e alguns 286; FPM (Fast Page Mode): utilizada na maioria dos antigos 486; EDO (Extended Data Out): utilizada em na época dos 486 e Pentium; QDR-SDRAM: idênticas às DDR, mas transmitem quatro lotes de dados. É o caso da memória conhecida como RAMBUS; SIMM (Single In-Line Memory Module); DIMM (Dual In-Line Memory); RIMM (Rambus In-Line Memory). \\ ATENÇÃO Um pequeno detalhe a ser observado é a incompatibilidade entre as tecnologias, cada qual deve ser utilizada em placas mães que sejam desenvolvidas para a respectiva tecnologia, seja DDR ou DDR2. Há de se dizer que mesmo os slots para o encaixe dos pentes de memórias são diferentes, impossibilitando o erro ao tentar encaixar um pente de memória diferente do aceito pela placa-mãe.