Resumo sobre Hardware

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO NORTE IFRN Curso Técnico de Manutenção e Suporte em Informática Disciplina: Informática Professor: Addson A. Costa Resumo sobre Hardware Santa Cruz-RN Outubro de 2014

1. Unidades 1.1 Armazenamento Bit é a unidade de medida e significa um valor binário com um único dígito, isto é, 0 ou 1. Byte é um valor binário com 8 bits. Convertendo de binário para decimal, um byte é capaz de armazenar números inteiros entre o valor 0 e 255 (inclusive). KB, significa kilobyte e equivale a 1024 bytes. MB, significa megabyte e equivale a 1024 KB. GB, significa gigabyte e equivale a 1024 MB. TB, significa terabyte e equivale a 1024 GB. 1.2 Frequência Hertz é a unidade usada para expressar a frequência e um hertz significa um ciclo por segundo. Da mesma forma que para os bytes, a frequência pode ser expressa através de Khz, Mhz, Ghz, porém para a frequência, um kilohertz significa 1000 hertz, mhz significa 1000khz e assim por diante. A exceção usada para dados existe devido a dificuldade em armazenar 1000bytes, devido a restrição de ser necessário armazenar valores de acordo com a potência de 2, pela natureza dos números binários. 1.3 Período Representa o contrário da frequência, isto é, enquanto a frequência representa quantos ciclos são executados por segundo, o período indica quanto tempo demora cada ciclo. Seu cálculo é efetuado pela formula: 1.4 Tempo Período = 1 / Frequência. Milisegundo, representa um milésimo de segundo. Microcrosegundo, representa um milésimo de milisegundo Nanosegundo, representa um milésimo de microsegundo. Exercício A Um processador trabalha a 2Ghz, calculando-se o período, chegamos a conclusão que cada ciclo demora quantos nanosegundos?

2. Memória As memórias de acesso aleatório feitas em chip são organizadas em forma de matriz como ilustrado na figura 1, abaixo. Figura 1: Matriz de memória. Fonte: Tecmundo Cada intersecção entre linhas e colunas corresponde a uma posição de memória, isto é, capaz de armazenar um bit. Para isso deve-se escolher a linha e coluna que deseja-se acessar. Esses indices são nomeados de CAS (column address strobe) e RAS (row address strobe), respectivamente, endereço da sequência de coluna e endereço da sequência de linha e, juntos, constituem o endereço de memória. Através do endereço de memória, é preciso identificar qual o CAS e RAS e acionar a fiação correspondente. Isto leva algum tempo e esse tempo é chamado de Latência. Existem os seguintes tempos de latência. Latência CAS tempo necessário para ativar uma coluna Latência RAS tempo necessário para ativar uma linha Latência de pre-carga tempo após ativar uma linha, para ativar a linha seguinte Latência de ativação tempo mínimo necessário para ativar uma linha, coluna e requisitar a pre-carga 2.1 Cache Nos computadores modernos as memórias mais rápidas são as memórias cache, também chamadas de memórias ram estáticas, que são encontradas hoje apenas dentro dos processadores. Nessas memórias, em cada união de linha com coluna existe um circuito que armazena um bit. Esse circuito é feito em curto, isto é, a saída desse circuito é o valor nele armazenado, isto é, 0 ou 1, e esse valor é diretamente ligado a entrada do circuito para que seja calculado o próximo valor, podendo ser mantido o valor atual ou sobrescrito com outro valor.

O novo valor é informado ao circuito através de outras entradas, como ocorre na memória RAM dinâmica mostrada abaixo. A grande vantagem desse tipo de memória é a grande velocidade, podendo se equiparar a velocidade do processador e ter taxas de transferência na velocidade que o processador demanda e com latências baixas. A desvantagem é o alto consumo de energia devido ao circuito estar em curto e ser mais caro construir esse tipo de memória tornando-a disponível em pequena quantidade. 2.2 RAM (dinâmica) A memória RAM dinâmica, mais conhecida por apenas memória RAM, é a que pode ser comprada em grande quantidade em lojas de informática para uso em computadores. Sua principal característica é que ao invés de usar circuitos para armazenar memória, ela usa um capacitor e um transistor. O capacitor sendo responsável por armazenar energia, como um balde furado, pois a energia se dissipa com o tempo, e o transistor sendo responsável por gerenciar o capacitor, enviando mais energia para recarregá-lo quando preciso ou secando-o ao ligá-lo ao terra. O uso de capacitores torna o circuito muito mais simples que o circuito usado na memória cache, tornando este tipo de memória capaz de armazenar grandes quantidades de informação, por caber mais células de memória devido a quantidade de circuitos ser menor, mas também torna essa memória mais lenta devido a necessidade de recarregar os capacitores muito frequentemente, e durante esse período de carga, a memória não pode ser acessada. Enquanto a memória cache pode atingir a velocidade do processador, as memórias RAM dinâmicas encontradas no mercado só chegam a 800mhz (DDR3-1600), apesar de atuarem com taxa de transferência dupla, o que torna-as tão eficientes quanto memórias antigas que trabalhassem a 1600mhz, por isso sua nomenclatura usa o valor dobrado da sua velocidade no nome do modelo. A sua grande vantagem é a capacidade de ser ter esse tipo de memória em grande quantidade e consumir menos energia que a cache. 2.3 Flash Nas memórias flash, cada célula de memória tem uma fina camada de óxido onde se depositam elétrons. Dependendo da carga dessa camada de óxido, a celula de memória assumirá valor 0 ou 1.

Figura 2: Célula de memória Flash. Fonte: gentequeeduca.org.br Para que a camada de óxido fique com carga negativa, é usado um fenômeno chamado de tunelamento que ocorre quando se aplica de 10 a 13 volts sobre o transistor que controla a porta flutuante que fará com que esse transistor dispare elétrons na direção da camada de óxido. Para que essa camada seja descarregada, basta ligá-la ao terra. Um circuito especial monitora a quantidade de energia capaz de atravessar a camada de óxido. Quando a camada de óxido está com carga negativa, menos energia conseguirá atravessar devido aos elétrons já presos no óxido atuarem como uma espécie de barreira evitando receber mais elétrons nessa camada. A vantagem dessa memória está em ser ser barata, ter baixo consumo de energia, não ser volátil e bem mais rápida quando comparado aos Hds mecânicos. 2.4 Hds As memórias RAM são incapazes de armazenar dados sem a existência de energia, para suprir essa capacidade entram em cena os Hds que podem ser categorizados hoje em dois tipos. Hds mecânicos Esses são formados por discos magnéticos girando em grande velocidade e com um sensor capaz de identificar precisamente o campo magnético em um determinado ponto em movimento. A velocidade máxima teórica para este tipo de memória é 300Mb/s, porém a velocidade real costuma ser de aproximadamente 100Mb/s. Hds SSD (Solid State Drive) Esses Hds não têm partes móveis. São formados por grandes quantidades de chips de memória Flash. Eles são mais rápidos por não conter partes móveis e chegam a taxas de transferência de até 550 MB/s.

2.5 CDs Os CDs são discos onde os arquivos são gravados em espiral, sendo o espiral estremamente fino e delicadado formado por pequenos sulcos de no mínimo 0.83 micron e altura de 125 nanômetros. Veja abaixo as dimensões na Figura 3. Figura 3: Trilha ao longo do CD. Fonte: tecnologia.hsw.uol.com.br Se você pudesse arrancar a trilha de dados de um CD e esticá-la em uma linha reta, ela teria 0,5 mícron de largura e quase 5 quilômetros de comprimento!, segundo hsw.uol.com.br. Para acompanhar esses sulcos, um motor deve girar posicionando o laser na posição correta do CD e a medida que vai sendo lido dados na parte mais externa do CD, a velocidade deve reduzir para que se mantenha a taxa de leitura estável. Por isso o barulho no drive de CD reduz com o tempo. 2.6 Taxa de tranferência de memórias Podemos calcular a taxa de transferência de memórias em chip através da fórmula: Taxa de transferência = clock * qtd de bits por ciclo * largura do barramento / 8 Por exemplo, uma memória ram dinâmica DDR3-1600, trabalha a 800mhz, transfere dois bits por clock (lembre que a 800mhz, existem 800 milhões de clocks por segundo) e trabalha com barramento de 64 bits, assim sua taxa de transferência é de aproximadamente 12800 MB/s (aproximadamente devido a conversão de Mhz e MB ser diferente). Já um processador, trabalhando a 2Ghz com 64bits e transferindo apenas um bit por clock, demanda uma taxa de transferência de 16GB/s. A memória RAM dinâmica já não é capaz de suprir na velocidade desejada, agora imagine um processador com 4 núcleos. A memória que consegue acompanhar essa demanda é a memória cache. Para atenuar essa diferença entre a velocidade da memória RAM e processador, pode-se usar o dual channel (usar dois pentes de memória com informação repetida entre eles para que a leitura ocorra com o dobro da velocidade buscando parte da informação de cada pente de memória) ou quad channel (idêntico, porém com 4 canais de memória). Um HD, como vimos previamente, caso seja um HD mecânico, tem taxa de transferência média em 100MB/s e um SSD tem até 550MB/s.

Exercício B Como vimos, após a solicitação de dados à memoria, existe uma latência, isto é, quantos ciclos a memória leva para encontrar os dados solicitados. Para determinar esse tempo de espera devemos descobrir quanto tempo dura cada ciclo da memória, o que varia de acordo com a frequência, para uma memória DD3-1600, vimos que seu clock é 800Mhz, assim, quantos nanosegundos demora cada ciclo de memória? Exercício C Considerando que sua latência seja 11-11-11-30, isto é, as latências de CAS, RAS e Précarga têm valor de 11 ciclos e a latência de ativação é de 30 ciclos. Quantos nanosegundos demora para a memória do exercício b, responder a uma solicitação de ativação? Exercício D O processador I5, fabricado pela intel tem clock de 1.8 Ghz e caches L1, L2 e L3, sendo o cache L1 o mais rápido e L3 o mais lento. O cache L1 desse processador tem latência de 4 ciclos, L2 tem latência de 11 ciclos e L3 tem latência de 28 ciclos. Assim, qual o tempo de resposta destes três níveis de cache em nanosegundos?

3. Outros componentes 3.1 Placa-mãe A placa mãe é a responsável por interligar os componentes e é quem gerencia os componentes para que eles possam funcionar em conjunto. A peça chave para gerenciar tudo isto é o BIOS (Basic Input/Output System). Ela é responsável por armazenar as informações de como funciona cada parte da placa mãe e realizar o processo de inicialização, isto é, inicializando as peças e transferindo dados entre os componentes na ordem correta. Antigamente o BIOS era um chip de memória de apenas leitura, daí o nome de memórias ROM (Read Only Memory) e era construído através de forma semelhante as memórias RAM abordadas no tópico anterior porém as celulas de memória eram pontos que podiam estar com conexão ou não conseguidos através da queima desses pontos no circuito, hoje em dia essa prática não existe mais devido a possibilidade de armazenarmos dados em memória não voláteis sem a necessidade de ser apenas de leitura, então hoje o BIOS é composto em sua maior parte por uma memória flash onde está gravado o Setup, seus parâmetros e também as instruções necessárias a carregar inicialmente para o processador para que o mesmo possa carregar o sistema operacional e dar seguimento a inicialização. 3.2 Processador O processador é uma peça onde ficam peças responsáveis basicamente por efetuar contas (ULA - Unidade Lógica e Aritmética), registradores (responsáveis por guardar os operadores necessários pela ULA), e controle (responsável por gerenciar a ordem de execução para que por exemplo, primeiro sejam carregados os operadores a partir da memória para que depois a operação envolvendo-os possa ser realizada). Nos dias atuais os processadores podem ter mais de um núcleo, sendo assim compartilhado entre eles a memória cache. Em geral a cache L1, a mais rápida, cada núcleo tem a sua sem haver compartilhamento, já os outros níveis de cache são compartilhados de acordo com o modelo do processador. O modelo de processador com maior quantidade de cache hoje, o Intel Haswell Mobile, tem 64kb de cache L1 por núcleo, 256kb de cache L2 por núcleo, 6MB de cache L3 compartilhado e cache L4 com 128MB também compartilhado, porém a cache L4 tem velocidade reduzida a 1.2Ghz. 3.3 Placas de I/O As placas de entrada/saída são todas as placas que podem estar onboard ou não, para fazer a interligação do computador com o ambiente externo. São elas: Placa de vídeo, som, rede, impressora, teclado, mouse, etc. A única placa externa a placa mãe que não é considerada placa de I/O é a controladora de discos rígidos, que é responsável por gerenciar o acesso aos discos, isto porquê não faz comunicação com o mundo externo.

3.4 Cooler Responsável por esfriar o processador e é composto por duas partes, o dissipador e a ventoinha. O dissipador é responsável por aumentar a área de contato com o ar para que a ventoinha possa ser mais eficiente ao remover o calor movendo o ar. Um detalhe importante é que a ventoinha não sopra o ar em direção ao dissipador, isto porquê poderia aquecer outros componentes, então ao invés disso ela joga o ar na direção oposta ao processador em caso de computadores desktop ou diretamente para fora da máquina em notebooks. 3.5 Fonte Responsável por converter a energia para corrente contínua e o mais estável possível. Em desktops, ela também é responsável por fazer a conversão para as voltagens necessárias dentro do computador. Em notebooks, para a voltagem usada pela placa mãe, que irá fazer as demais conversões que forem necessárias. Fontes são compradas pela potência máxima (medida em Watts) que elas conseguem entregar ao computador, porém existe uma diferença entre máximo teórico e máximo real, então existem fontes com ou sem essa garantia, e são chamadas respectivamente de fontes com potência nominal e fontes com potência real. O que é importante quando se tem componentes com maior consumo de energia no computador, como placas de vídeo offboard, muitos HDs, ou simplesmente existem muitos componentes caros como memórias e processadores modernos, isto porquê as fontes com garantia de potência real são também capazes de entregar uma corrente mais estável. 3.6 Gabinete Responsável pela ventilação do computador, porém é comprado em geral de acordo com a sua estética. Um bom gabinete deve ter saídas de ar na parte superior e, ao mesmo tempo, uma solução para evitar a entrada excessiva de poeira por essa região, por exemplo, ao invés de ter saídas de ar na face superior, localizar saídas de ar laterais o mais próximo do topo do gabinete. Além disso deve ter bastante espaço interno para que as peças possam ter espaço para ventilação entre si.