COMPUTADORES como funcionam, Notas de estudo de Engenharia Informática

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COMPUTADORES

“como funcionam ?”

Criado por:

Jesse Inacio da Costa

1. Introdução

O primeiro computador conhecido foi o ENIAC, criado pelo exército americano durante a segunda guerra mundial, mas foi apresentado a sociedade só em 1946. Mas antes da criação do ENIAC, vários equipamentos criados por matemáticos, físicos e outros cientistas, já traziam a ideia da tecnologia dos computadores.

Um bom exemplo disso é uma máquina de calcular criada por Charles Babbage em 1833. Nomeada de diferencial, a máquina de calcular utilizava cartões que lhe davam orientações de como realizar os cálculos. Foi com essa máquina de calcular que a ideia de processamento de dados utilizada nos computadores tomou impulso, fazendo com que fosse possível a criação do computador.

O computador possui um funcionamento semelhante à máquina de calcular de Charles Babbage. O computador sozinho não sabe fazer nada, ele precisa ser orientado passo a passo do que ele deve fazer, ou seja, ele tem de receber instruções que o diga como realizar o processamento de dados. É para isso que existe o software, que é um conjunto de instruções que dizem ao computador como ele deve processar os dados.

Para funcionar o computador utiliza um fenômeno conhecido como eletrização, é com esse fenômeno que o computador funciona, através da eletrização as peças do computador se comunicam e funcionam, mas só processam dados se receberem as instruções dos softwares.

Os principais dispositivos responsáveis, pelo funcionamento de um computador são os transistores. O transistor é um dispositivo que possui a capacidade de conduzir ou resistir à corrente elétrica. Os transistores são feitos de materiais semicondutores, como o silício (Si).

Na computação os transistores são utilizados, na criação de circuitos integrados. As empresas que criam circuitos integrados “chips”, produzem transistores cada vez menores, isso possibilita que um chip possua vários transistores. Por esse motivo os processadores estão cada vez mais potentes, em relação ao processamento de dados. Os transistores atualmente possuem um

2. Histórico

Por volta de 1500, começaram a surgir as primeiras maquinas de calcular. A primeira conhecida foi uma tabela de multiplicação criada por John Napier.

Em 1642, Blaise Pascal criou a primeira calculadora mecânica, a Pascaline, que realizava cálculos básicos através de rodas.

Em 1833, Charles Babbage criou a calculadora diferencial, que utilizava cartões perfurados que davam instruções à calculadora de como trabalhar.

Em 1880, Hermann Hollerith, usou o mesmo principio dos cartões perfurados e fez uma maquina para processar informações do senso da população dos U.S. O invento de Hollerith utilizava rodas com pinos que ao passarem pelos furos dos cartões formavam contatos elétricos, interpretados como pulso por uma calculadora mecânica. Em 1890, Hollerith conseguiu diminuir o tempo de processamento de dados, criando a International Business Machine (IBM).

O primeiro computador eletrônico, o ENIAC, foi desenvolvido pelo exército americano durante a segunda guerra mundial e divulgado em 1946. Era um computador de grande porte e realizava 500 multiplicações por segundos, através de suas 18 mil válvulas.

A partir de 1950, as válvulas foram substituídas por transistores. O uso dos transistores foi um marco na historia da computação, pois eles eram menores consumiam menos corrente elétrica e duravam anos. A partir daí os computadores passaram a ser utilizados em grandes empresas e indústrias. Foi assim que a indústria de computadores começou a crescer dando origem aos gigantes da informática mundial, como a IBM.

Hoje em dia, utilizamos circuitos integrados (CI) que com uma pequena pastilha de silício, reduzem bastante o consumo de energia, além de proporcionar operações mais rápidas e seguras.

3. Dados

Dados são as coisas necessárias para executar um problema. Os dados ao entrarem em um computador, podem ser processados e manipulados para que se possa obter novas informações, porém antes de entrarem em um computador, eles devem ser codificados em forma binária, isso por que os circuitos do computador respondem somente a números binários.

4. Softwares

Os softwares são um conjunto de instruções, que indicam ao processador o que ele deve processar. Estas instruções formam todas as etapas necessárias para o processamento de dados. Assim como os dados os softwares, também devem ser codificados em forma binária para entrar em um computador.

5. Hardwares

Os dispositivos eletrônicos, magnéticos e mecânicos de um computador são denominados de hardwares, que são um conjunto de equipamentos que constituem a parte física de um computador. Os softwares são os responsáveis pela manipulação do hardware e o hardware é responsável pelo armazenamento do software, ou seja, um depende do outro.

6. Processador

O processador é o cérebro do computador, é ele o responsável de processar todas as informações do computador, o resultado desses processos que são realizados pelo processador, dependerão do tipo de software que será utilizado, pois é o software que manda instruções para o processador, dizendo ao processador o que ele deve processar, ou seja, para o processador um software é apenas um conjunto de instruções. Quando um software solicita o uso do processador, chamamos essa solicitação de instrução, já quando um hardware solicita o uso do processador chamamos essa solicitação de interrupção.

6.3. Microarquitetura

Existem diferenças entre arquitetura e microarquitetura de processadores. A arquitetura é um conjunto de registros, instruções e estruturas de dados, que são públicos para que possam ser utilizados pelos programadores. É através da arquitetura de um processador, que é possível definir se um conjunto de instruções é ou não compatível com a arquitetura. Por exemplo, se um conjunto processadores, utilizam a mesma arquitetura, isso significa que se em um desses processadores um certo conjunto de instruções pode ser executado, nos outros processadores com mesma arquitetura esse conjunto de instruções também poderá ser executado.

A microarquitetura de um processador é o modo com que se usa a arquitetura para melhorar a velocidade e desempenho de processamento. É por isso que dentro de uma família de processadores, a microarquitetura pode ser atualizada frequentemente, pra melhorar o processamento, mas mesmo assim pode manter a arquitetura do processador.

6.3.1. Microarquiteturas Intel

A Intel possui diversas microarquiteturas sendo que os processadores pertencentes ao mesmo grupo de microarquitetura, possui muitas coisas em comum. Microarquitetura Processador P5 Pentium Pentium MMX

P

Pentium Pro Pentium II Pentium II Xeon Pentium III Pentium III Xeon NetBurst

Pentium 4 Xeon Pentium D Core

Core 2 Duo Core 2 Quad Core 2 Extreme Nehalem Core i7 Core i7 Extreme

6.3.1.1. Microarquitetura Nehalem

A microarquitetura nehalem é a base da família dos processadores core i7. Essa nova família de processadores, já faz parte da filosofia “tick – tock” da Intel, essa filosofia representa as novas microarquiteturas e técnicas de fabricação. O “tick” representa uma nova técnica de construir transistores menores, e o “tock” representa uma nova microarquitetura a ser utilizada para o mais novo “tick”. O mais novo “tick” é o penryn, um circuito integrado com transistores de 45 nm (nanômetros). Para se ter uma ideia o diâmetro de um fio de cabelo, possui 100 mil nanômetros. Já o mais novo “tock” é a microarquitetura nehalem utilizada na nova família dos processadores core i7.

Com o objetivo de criar uma nova e melhor microarquitetura, a Intel desenvolveu a nehalem para utilização nos processadores mais atuais. Essa nova microarquitetura possui alguns recursos das anteriores, porém melhorados, e novos recursos que estão presentes apenas na nehalem. Veja abaixo as tecnologias que foram atualizadas e as novas implantadas na microarquitetura nehalem.

 Previsões de desvios: Trata-se de um processo para adivinhar se uma determinada instrução pode ou não ser executada antecipadamente. Quando as previsões são realizadas com sucesso, o processador mais eficiência e rapidez no processamento, mas se a previsão estiver errada, o processador desperdiça ciclos de clock, e fica com um desempenho mais lento. A nova microarquitetura nehalem diminui a quantidade de previsões erradas, por que possui um buffer de desvio, que é conhecido com BTB (Branch Target Buffer) esse buffer tem a função de transportar informações para o processador, fazendo a antecipação de informações que serão utilizadas por ele. Com os novos recursos aplicados a essa nova microarquitetura, as previsões de desvio estão mais exatas, e com isso, os novos processadores estão consumindo menos energia, pois não desperdiçam mais ciclos de clock com previsões erradas.  Multi - Threading simultâneos: Através desse recurso é possível simular dois processadores lógicos em um único processador físico, pois as tarefas executadas podem ser distribuídas entre os dois núcleos. Assim um

Exemplo da estrutura de um processador Intel de quatro núcleos com microarquitetura nehalem:

Núcleo 1 Núcleo 2 Núcleo 3 Núcleo 4

Cache L2 Cache L2 Cache L2 Cache L Cache L Controlador de memória integrado QuickPatch Interconnect

Por obter novas tecnologias, como por exemplo, o controlador de memória integrado, os processadores com a microarquitetura nehalem da Intel necessitam de um novo soquete de 1366 pinos, e possuem compatibilidade apenas com memórias DDR3. Dessa maneira, quando algum usuário decidir utilizar um dos novos processadores com microarquitetura nehalem, ele terá de comprar um processador com essa nova microarquitetura, uma nova placa - mãe que possa suportar esse novo processador, e uma memória que tenha compatibilidade com a microarquitetura.

6.3.2. Microarquiteturas AMD

Assim com a Intel, a AMD também possui diversas microarquiteturas, e os processadores que utilizam a mesma microarquitetura, possuem muitas semelhanças. Microarquitetura K5 K6 K7 K8 K

Processador AMD K

AMD K K6- 2 K6-III

Athlon Athlon XP Duron

Athlon 64 Athlon FX Athlon X Sempron

Phenom

6.3.2.1. Microarquitetura K

A microarquitetura K10 da AMD, é baseada na microarquitetura K8, porém traz algumas melhoras. Veja abaixo as tecnologias utilizadas na microarquitetura K10:

 Balanced Smart Cache: Essa tecnologia agrega ao processador, uma memória cache L3 de 2MB, que é utilizada pelos até quatro núcleos do processador. Além disso cada núcleo do processador ainda possui uma cache L1 de 128 KB, sendo que 64 KB são para instruções e 64 KB são para dados, e uma cache L2 de 512 KB. A utilização de uma cache L3, melhora o desempenho do processador, pois através da cache L3, cada núcleo do processador pode acessar os dados que estão sendo utilizados pelos outros núcleos, sem ter que acessar a memória RAM.  CoolCore: A tecnologia CoolCore analisa frequentemente, quais são as partes do processador, necessárias para a execução dos aplicativos que estão sendo executados. Tendo essa informação, as áreas de transistor que não estão sendo utilizadas param de ser energizadas. Isso gera a redução no consumo de energia e superaquecimento, além de elevar autonomia das baterias de computadores portáteis.  Dual Dynamic Power Management: Essa tecnologia também conhecida como Gerenciamento Elétrico Dinâmico Duplo, tem a função de permitir que o processador e o controlador de memória, utilizem linhas de alimentação separada. Isso permite que o controlador de memória trabalhe em clock mais alto, que o processador quando entra em modo de economia de energia.  HyperTransport 3.0: A utilização dessa tecnologia, proporciona uma taxa de transferência maior e um menor consumo de energia. Nessa nova versão 3.0, o processador pode acessar os periféricos através da ponte norte do chipset, utilizando uma taxa de transferência de aproximadamente 10,4 GB/s, essa é uma taxa de transferência bem alta em relação a taxa de aproximadamente 4 GB/s utilizada na microarquitetura K8. Nessa nova versão também é possível economizar energia, pois ela possibilita que o processador diminua o clock ou a taxa de transferência do barramento conforme a capacidade exigida para o trabalho que esta sendo realizado.

7. 1. Padrões de Encapsulamento de Chips

O chip de memória é um conjunto de circuitos integrados em uma pequena pastilha de silício. Por ser muito delicado, esse chip é encapsulado, ou seja, recebe um revestimento protetor do circuito, que é feito de materiais plásticos.

A memória fica dentro desse revestimento e consegue se comunicar com o mundo exterior, através de fios metálicos que se conectam a uma placa que por sua vez é encaixada nos slots da placa mãe.

Existem vários padrões de encapsulamento utilizados nos chips de memória. Entre eles os que se destacam são: DIP, SOJ, TSOP, CSP e FBGA.

7.1.1. DIP – Dual In-line Package

O DIP é um dos encapsulamento de memória mais antigo.

Encapsulamento DIP

Como possui terminais grossos, seu encaixe nas placas pode ser feito de forma manual, facilmente. Atualmente o DIP é utilizado para outros tipos de circuitos integrados, menos em memórias.

7.1.2. SOJ – Small Outline J-Lead

Esse padrão de encapsulamento possui esse nome por possuir terminais com o formato da letra “J”.

Encapsulamento SOJ

Esse modelo de encapsulamento foi muito utilizado em módulos de memória do modelo SIMM (Single In-line Memory Module). A instalação desse modelo de encapsulamento nas placas é realizada através de uma tecnologia conhecida como SMT (Surface Mount Technology), essa tecnologia consiste na instalação do circuito integrado diretamente na superfície das placas de circuito impresso.

7.1.3. TSOP – Thin Small Outline Package

O encapsulamento TSOP é utilizado em circuitos integrados de espessura bem menor em comparação com os circuitos que utilizam os outros encapsulamentos. Por isso, os terminais de contato desse tipo de encapsulamento são mais pequenos e finos, que proporcionam uma menor taxa de interferência durante a transferência de dados.

Encapsulamento TSOP

Atualmente esse modelo de encapsulamento é utilizado em módulos de memória que utilizam as tecnologias SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) e DDR (Double Data Rate).

Esse modelo de encapsulamento possui uma variação conhecida como STSOP (Shrink Thin Small Outline Package) que possui terminais mais finos que o TSOP comum.

Os dados são armazenados no disco rígido, em forma de arquivos que na verdade são uma coleção de bytes, quando um software quer abrir um arquivo, ele manda as instruções para o processador, que comunica o HD a necessidade de utilização de certo arquivo, então o HD acessa os bytes do arquivo solicitado pelo processador, e os envia um por um até o processador. O HD utiliza uma tecnologia que torna o acesso aos dados mais ágil, essa tecnologia é denominada de buffer de disco. Essa tecnologia utiliza uma memória que armazena os dados já acessados, ou seja, quando o S.O (Sistema Operacional) reconhece um setor, o HD lê a trilha toda e guarda as informações nessa memória.

8.1. Gravação e Leitura de Dados no HD

Em HDs e disquetes os dados são gravados e lidos através de um fenômeno físico conhecido como eletromagnetismo. Esse Fenômeno físico, foi descoberto no ano de 1820, por um físico conhecido como Hans Christian Oersted. Em quanto preparava uma aula prática no laboratório, o físico percebeu que uma corrente elétrica que estava a passar por um fio, fazia com que o ponteiro de uma bússola apontasse em direção ao fio que estava sendo percorrido pela corrente elétrica. Quando a corrente elétrica era desligada e parava de percorrer o fio, o ponteiro da bússola voltava a apontar em direção ao norte da terra. Após observar esse fenômeno, Hans Christian Oersted concluiu que, todo condutor que é percorrido por uma corrente elétrica, gera um campo magnético envolta de si mesmo.

Para que os dados possam ser gravados e lidos nos HDs, são envolvidas diversas características, como por exemplo, o tipo de superfície onde se localizarão os dados. O HD possui discos, que também são conhecidos como pratos, as superfícies desses discos são feitas de alumínio ou vidro. Sobre a superfície dos discos é colocada uma camada de uma substancia, que possui propriedade magnética. Essa substancia geralmente é o óxido de ferro (Fe 2 O 3 ) misturado com alguns outros elementos.

8.1.1. Tecnologia de Gravação Longitudinal

A cabeça de leitura e gravação é feita de um material condutor envolvido por uma bobina. É por essa bobina que a corrente elétrica passa, e assim gera um campo eletromagnético, sobre a cabeça de gravação e leitura. O local abaixo do cabeçote é magnetizado fazendo com que as partículas magnéticas se alinhem para direita ou esquerda conforme a polaridade da corrente. Esse tipo de gravação de dados, onde os bits são gravados lado a lado sobre a superfície magnética, é conhecida como longitudinal.

Para realizar a leitura dos dados que estão gravados no HD, é necessária a indução de uma corrente elétrica sobre a cabeça de leitura, e assim que a cabeça de leitura passar por uma área da superfície do disco, que esteja magnetizada, a cabeça de leitura ira possibilitar que os bits daquela área sejam acessados pela placa lógica do HD. Com isso pode-se afirmar que um bit de dados, armazenado em um HD, é uma partícula magnetizada. Os valores dos bits armazenados em um HD dependem do sentido do campo magnético.

9. Placas Offboard

As placas offboard, são placas que são inseridas nos slots da placa – mãe, como por exemplo, placa de vídeo, placa de rede, placa de áudio, placa para sintonia de tevê, e etc. Essas placas são geralmente utilizadas para melhorar o desempenho e a eficiência do computador, porém não são essenciais para o funcionamento do computador, pois a placa – mãe possui as placas onboard, que são agregadas diretamente a ela, e desempenham quase todas as funções das placas offboard, porém com uma qualidade mais baixa.

10. Placa – Mãe

A placa – mãe tem uma função muito importante, que é agrupar todos os componentes do computador, fazendo com que eles se comuniquem. Processador, memória RAM, placa offboard, HD, drive e periféricos, todos estes componentes são conectados à placa – mãe, e a utilizam para se comunicar. A placa – mãe se divide em duas partes, que são barramento de expansão e barramento local.

10.1. Slots

Os slots são locais na placa - mãe utilizados para realizar o encaixe de outras placas extras como, por exemplo: placa de vídeos, de rede, de áudio, de rádio, de sintonia de TV e outras.

Slots de uma placa – mãe

10.2. Soquete

O soquete é um encaixe utilizado geralmente para processadores, para cada tipo de processador existe um soquete diferente, porém alguns processadores semelhantes possuem compatibilidade com os mesmos soquetes. O soquete de uma placa – mãe não pode ser substituído por outro, por isso quando se faz um upgrade de processador é necessário uma placa nova, que possua um soquete compatível com o processador.

Soquete para processador

10.3. Barramento

O barramento é o meio em que todos os componentes do computador são conectados ao processador. Os barramentos podem ter duas classificações que são:

 Barramento local: Gera a comunicação entre processador memória RAM e memória cache. Antigamente esse barramento era controlado pelos controladores que se localizavam no chipset da ponte norte, mas como os processadores evoluíram e assim se tornaram muito mais rápidos, o chipset da ponte norte se tornou muito lento, e assim prejudicava o trabalho do processador, pois não conseguia acompanha-lo. Para resolver esse problema os controladores, passaram a ser integrados diretamente ao processador e não mais ao chipset da ponte norte, com isso o próprio processador passou a controlar o barramento local, deixando-o mais rápido.