Hardware - Apostilas - Informática Part1, Notas de estudo de Informática

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Apostila de Hardware

Apostila de Engenharia e Usibilidade de Hardware

(Documento em elaboração – uso interno somente)

Matheus Sousa Silvério

Maio/

Conteúdo

• Introdução …........................................................................
• Entendendo os Processadores.............................................
• Uma rápida árvore genealógica dos processadores.............
• A evolução dos processadores da AMD................................
• Memória RAM........................................................................
• A evolução dos módulos de memória.....................................
• Memória cache........................................................................
• Hard Disk (HD)........................................................................
• Swap e cache de disco............................................................
• Placa de vídeo..........................................................................
• Mouses e teclados....................................................................
• Placa Mãe.................................................................................
• Barramentos..............................................................................
• Formatos de placas...................................................................
• Chipsets.....................................................................................
• Fonte..........................................................................................
• Placas de som............................................................................

8, 16 ou 24 bits é usado para representar cada um; um vídeo é transformado em uma sequência de imagens, também armazenadas na forma de pixels e assim por diante. A grande vantagem do uso do sistema binário é que ele permite armazenar informações com uma grande confiabilidade, em praticamente qualquer tipo de mídia; já que qualquer informação é reduzida a combinações de apenas dois valores diferentes. A informação pode ser armazenada de forma magnética, como no caso dos HDs; de forma óptica, como no caso dos CDs e DVDs ou até mesmo na forma de impulsos elétricos, como no caso dos chips de memória flash. Chips de memória flash Cada um ou zero processado ou armazenado é chamado de "bit", contração de "binary digit" ou "dígito binário". Um conjunto de 8 bits forma um byte, e um conjunto de 1024 bytes forma um kilobyte (ou kbyte). O número 1024 foi escolhido por ser a potência de 2 mais próxima de 1000. É mais fácil para os computadores trabalharem com múltiplos de dois do que usar o sistema decimal como nós. Um conjunto de 1024 kbytes forma um megabyte e um conjunto de 1024 megabytes forma um gigabyte. Os próximos múltiplos são o terabyte (1024 gigabytes) e o petabyte (1024 terabytes), exabyte, zettabyte e o yottabyte, que equivale a 1.208.925.819.614.629.174.706.176 bytes. :) Começando do básico, qualquer PC é composto pelos mesmos componentes: placa-mãe, processador, cooler memória, HD, placa de vídeo, gabinete, fonte, monitor e outros periféricos (teclado, mouse, etc.). Essa mesma divisão básica se aplica também a notebooks e netbooks (que tem

termos de hardware estão cada vez mais parecidos com os desktops) e também a outros aparelhos eletrônicos, como smartphones e tablets. A principal diferença é que neles os componentes são integrados numa única placa de circuito (muitas vezes no mesmo chip) e são utilizados chips de memória flash no lugar do HD. Antigamente, a placa-mãe funcionava apenas como um ponto central, contendo os slots e barramentos usados pelos demais componentes. Além do processador e dos módulos de memória, era necessário comprar uma placa de vídeo, placa de som, modem, rede, etc. Cada componente era uma placa separada. Com a integração dos componentes, a placa-mãe passou a incluir cada vez mais componentes, dando origem às placas "tudo onboard" que utilizamos atualmente (algumas placas mini-ITX destinadas a media-centers já vêm até com o processador e chips de memória!). Isso permitiu que os preços dos PCs caíssem assustadoramente, já que com menos componentes, o custo de fabricação é bem menor. Embora componentes onboard (ou componentes integrados, que seria o termo mais correto) tenham uma certa má fama, eles são os grandes responsáveis pela queda de preço dos equipamentos em relação ao que tínhamos há uma ou duas décadas atrás. Se ainda utilizássemos placas separadas para cada componente

Athlon X2 e Pentium D Mais do que em qualquer outro componente, os preços dos processadores variam brutalmente de acordo com o modelo. Temos desde processadores de baixo custo, como os diferentes modelos do Sempron e do Celeron, que chegam a ser vendidos por menos de 40 dólares nos EUA, até processadores high-end, como os modelos mais caros do Core i7, que chegam a custar US$ 999. O principal motivo de tamanha disparidade é a necessidade dos fabricantes de adaptarem seus produtos a diferentes faixas de mercado, que vão desde os PCs de baixo custo, que são vendidos por menos de 800 reais, até estações de trabalho ou PCs para jogos que chegam a custar mais de 5 mil. Muda o número de núcleos, a quantidade de cache e o clock dos processadores, mas a arquitetura usada continua quase sempre a mesma. Em muitos casos, os processadores de baixo custo são apenas versões castradas de chips mais rápidos, com parte dos componentes desativados, uma estratégia usada tanto pela Intel quanto pela AMD. Com tantos processadores disponíveis no mercado, entender as diferenças entre os diferentes modelos dentro de cada geração pode parecer impossível, mas na verdade não é tão difícil assim, já que os modelos são ramificações de algumas poucas arquiteturas. Vamos começar com um resumo rápido: Uma rápida árvore genealógica dos processadores Dentro do mundo PC, tudo começou com o 8088, lançado pela Intel em 1979 e usado no primeiro PC, lançado pela IBM em 1981. Depois veio o 286, lançado em 1982, e o 386, lançado em 1985. O 386 pode ser considerado o primeiro processador moderno, pois foi o primeiro a incluir o conjunto de instruções x86 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 90) foi lançado em 1989, mas ainda era comum encontrar micros baseados nele à venda até por volta de 1997. Depois entramos na era atual, inaugurada pelo Pentium, que foi lançado em 1993

mas demorou alguns anos para se popularizar e substituir os 486. Em 1996 foi lançado o Pentium MMX, que deu um último fôlego à plataforma. Depois, em 1997, veio o Pentium II, que usava um encaixe diferente e por isso era incompatível com as placas-mãe antigas. A AMD soube aproveitar a oportunidade, desenvolvendo o K6-2, um chip com uma arquitetura similar ao Pentium II, mas que era compatível com as placas soquete 7 antigas. A partir daí as coisas passaram a acontecer mais rápido. 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. Pentium 4 em versão soquete 478 O último Pentium III trabalhava a 1.0 GHz, enquanto o Pentium 4 atingiu rapidamente os 2.0 GHz, 3 GHz e em seguida 3.5 GHz. O problema é que o Pentium 4 possuía um desempenho por ciclo de clock inferior a outros processadores, o que fazia com que a alta frequência de operação servisse apenas para equilibrar as coisas. A primeira versão do Pentium 4 operava a 1. GHz e, mesmo assim, perdia para o Pentium III de 1.0 GHz em diversas aplicações. Quanto mais alta a frequência do processador, mais energia ele consome e, consequentemente, mais calor é dissipado por ele (como diz a primeira lei da

Para efeito de comparação, entre os chips antigos e os atuais, um 486 tinha cerca de 1.2 milhões de transistores e chegou a 133 MHz, enquanto o Pentium MMX tinha 4.3 milhões e chegou a 233 MHz. Um Pentium 4 (Prescott) tem 125 milhões e chegou aos 3.8 GHz, que foi por muitos anos a frequência de clock mais alta usada por um processador x86. O transistor é a unidade básica do processador, capaz de processar um bit de cada vez. Mais transistores permitem que o processador processe mais instruções de cada vez enquanto a frequência de operação determina quantos ciclos de processamento são executados por segundo. O uso de mais transistores permite que o processador inclua mais componentes (mais núcleos, unidades de execução, cache, etc.) e execute mais processamento por ciclo, enquanto a frequência de operação determina quantos ciclos de processamento são executados por segundo. É possível melhorar o desempenho dos processadores tanto aumentando o número de transistores quanto aumentando a frequência, mas como ambas as abordagens possuem seus limites, os fabricantes são obrigados a encontrar a melhor combinação entre as duas coisas. A evolução dos processadores da AMD Continuando, temos os processadores da AMD. Ela começou produzindo clones dos processadores 386 e 486, muito similares aos da Intel, porém mais baratos. Quando a Intel lançou o Pentium, que exigia o uso de novas placas, a AMD lançou o "5x86", um 486 de 133 MHz, que foi bastante popular, servindo como uma opção barata de upgrade. Embora o "5x86" e o clock de 133 MHz dessem a entender que se tratava de um processador com um desempenho similar a um Pentium 133, o desempenho era muito inferior, mal concorrendo com um Pentium 66. Este foi o primeiro de uma série de exemplos, tanto do lado da AMD, quanto do lado da Intel, em que existiu uma diferença gritante entre o desempenho de dois processadores do mesmo clock. Embora seja um item importante, a frequência de operação não é um indicador direto do desempenho do processador.

Uma analogia poderia ser feita em relação aos motores de carro. Os motores de 1.6 litros do final da década de 70, usados nas Brasílias e nos Fuscas, tinham 44 cavalos de potência, enquanto os motores 1.0 atuais chegam a mais de 70 cavalos. Além da capacidade cúbica, existem muitos outros fatores, como a eficiência do sistema de injeção de ar e combustível, taxa de compressão, refrigeração, etc. o mesmo se aplica aos processadores, onde temos o número de unidades de execução, o índice de acerto do circuito de branch prediction, o tamanho e a eficiência dos caches e assim por diante. Depois do 5x68 a AMD lançou o K5, um processador tecnicamente superior ao Pentium, mas que era caro e não era capaz de atingir frequências de operação competitivas. Ele foi seguido pelo K6 e mais tarde pelo K6-2, que fez muito sucesso, servindo como uma opção de processador de baixo custo e, ao mesmo tempo, como uma opção de upgrade para quem tinha um Pentium ou Pentium MMX. Esta era do K6-2 foi uma época sombria da informática, não pelo processador em si (que excluindo o desempenho em jogos, tinha um bom custo-benefício), mas pelas placas-mãe baratas que inundaram o mercado. Aproveitando o preço acessível do processador, os fabricantes passaram a desenvolver placas cada vez mais baratas (e de qualidade cada vez pior) para vender mais, oferecendo PCs de baixo custo. A época foi marcada por aberrações. Um certo fabricante chegou a lançar uma família de placas sem cache L2, cujos capacitores estufavam, levando ao fim da vida útil da placa, depois de apenas um ano de uso. As coisas voltaram aos trilhos com o Athlon, que se tornou a arquitetura de maior sucesso da AMD. A primeira versão usava um formato de cartucho (slot A) similar ao Pentium II, mas incompatível com as placas para ele. Ele foi sucedido pelo Athlon Thunderbird, que passou a usar o formato de soquete utilizado (com atualizações) até os dias de hoje.

mais devido ao controlador de memória integrado e aos novos registradores). A principal vantagem dos processadores de 64 bits foi derrubar uma limitação inerente a todos os processadores de 32 bits, que são capazes de acessar apenas 4 GB de memória RAM, um limite que está se tornando uma limitação grave em cada vez mais situações. O Athlon 64 deu origem ao Athlon X2, o primeiro processador dual-core da AMD, onde temos dois processadores Athlon 64 no mesmo encapsulamento (dividindo a carga de processamento) e também as várias versões do Sempron para placas soquete 754, AM2 e AM3, que se tornaram bastante populares em PCs de baixo custo. Com o avanço do Core 2 Duo, a AMD se apressou em atualizar a arquitetura do Athlon 64, incluindo algumas melhorias na arquitetura e (mais importante) suporte ao uso de 4 núcleos e cache L3 compartilhado. Surgiu então o Phenom, que foi o primeiro processador quad-core doméstico da AMD. O Phenom foi produzido em diversas variações, incluindo versões com três núcleos (o Phenom X3) e também versões com parte do cache desativado. Elas surgiram da necessidade de maximizar o volume de produção, transformando os processadores com defeitos localizados em versões de baixo custo. Essa mesma filosofia deu origem também à série Athlon X2 7xxx, que consistiu em versões low- end (baratas, porém com desempenho mais baixo) do Phenom, com dois dos núcleos desativados. As versões iniciais do Phenom foram produzidas usando uma técnica de 65 nanômetros (similar à usada pela Intel para produzir a versão inicial do Core 2 Duo), o que limitou o tamanho do cache L3 a apenas 2 MB. Em 2009 a AMD migrou suas fábricas para a técnica de 45 nm, dando origem ao Phenom II que trouxe 6 MB de cache L3, resultando em um ganho considerável de desempenho. Assim como no caso do Phenom original, o Phenom II é vendido em várias versões, com 4 núcleos, 3 núcleos e até mesmo dois núcleos ativos, com o objetivo de aproveitar as unidades com pequenos defeitos. A nova técnica de fabricação deu origem também a duas novas séries de processadores de baixo custo, o Athlon II X2 e o Athlon II X4, destinadas a

substituir os últimos modelos do Athlon X2. Como os nomes sugerem, o Athlon II X2 possui dois núcleos e o Athlon II X4 possui quatro. A arquitetura continua sendo a mesma do Phenom II, mas eles excluem o cache L3, removido para cortar custos. A última rodada foi iniciada com o lançamento do Core i7 e do Core i5, que inauguraram a nova geração de processadores da Intel, realimentando o ciclo de lançamentos. Uma das mudanças introduzidas por eles foi o Turbo Boost, um sistema de gerenciamento de clock que aumenta a frequência do processador quando apenas alguns dos núcleos está sendo utilizado, funcionando como uma espécie de sistema de overclock automático. O Turbo Boost tornou o desempenho dos processadores muito mais variável, já que passou a depender também da temperatura de operação do processador e outros fatores. Longe do mercado de chips de alto desempenho, temos também o Intel Atom, que serve como uma opção de processador barato e de baixo consumo, destinado a netbooks e desktops ultra-compactos. Diferente de outros processadores modernos, o Atom é um descendente do Pentium 1, que utiliza uma arquitetura muito mais simples, baseada no processamento sequencial de instruções. A seguir temos uma tabela rápida de referência, com os principais processadores da Intel e os equivalentes da AMD:

são novamente copiados para a memória, junto com suas configurações e preferências. A única forma de evitar repetir o demorado processo de boot é manter a memória RAM ativa, ou salvar seu conteúdo no HD, recuperando-o no próximo boot. Essas são as estratégias usadas pelas opções de suspender e hibernar, disponíveis tanto no Windows quanto na maioria das distribuições Linux. Ao suspender (dormir), a maioria dos componentes do sistema são desligados, incluindo o HD, a placa de vídeo e a maior parte dos componentes da placa-mãe. Mesmo o processador entra em um estágio de baixo consumo, onde a maior parte dos componentes internos são desativados e o clock é reduzido. Praticamente, os únicos componentes que continuam realmente ativos são os módulos de memória. Graças a isso o PC acaba consumindo (geralmente) menos de 20 watts de energia e pode voltar ao estágio original muito rapidamente. Ao hibernar, o conteúdo da memória RAM é copiado para uma área reservada do HD e o micro é desligado. Ao ligar novamente, o conteúdo da memória é restaurado e temos o sistema de volta, sem precisar passar pelo processo normal de boot. O problema da hibernação é que a restauração demora muito mais tempo, já que é necessário ler 512 MB, 1 GB ou mesmo 4 GB de dados (equivalentes à quantidade de memória RAM instalada) a partir do HD, o que muitas vezes demora mais do que um boot completo. Além dos diferentes tipos de memória RAM, existem também outras tecnologias de memórias de acesso aleatório, como as SRAM e, mais recentemente, as Phase-

change. Temos ainda as onipresentes memórias Flash, que concorrem com os HDs como mídia de armazenamento. O tipo mais comum de memória RAM, aquela que compramos na forma de módulos e instalamos na placa-mãe, é chamada de DRAM , ou "dynamic RAM". A memória DRAM passou a ser usada apenas a partir do final da década de 70, substituindo os chips de memória SRAM, que eram muito mais caros. Com o passar do tempo, as memórias DRAM viraram o padrão, de forma que geralmente dizemos apenas "memória RAM" e não "memória DRAM". Dentro de um chip de memória DRAM, cada bit é formado pelo conjunto de um transistor e um capacitor. O transistor controla a passagem da corrente elétrica, enquanto o capacitor a armazena por um curto período. Quando o capacitor contém um impulso elétrico, temos um bit 1 e quando ele está descarregado temos um bit 0. Quando falo em "capacitor", tenha em mente que não estamos falando em nada similar aos capacitores eletrolíticos da placa-mãe. Os "capacitores" usados nos chips de memória são extremamente pequenos e simples (basicamente dois pequenos blocos de metal ligados ao transistor), que conservam o impulso elétrico por apenas uma fração de segundo. Para evitar a perda dos dados, a placa-mãe inclui um circuito de refresh, que é responsável por regravar o conteúdo da memória várias vezes por segundo (a cada 64 milissegundos ou menos), algo similar ao que temos em uma TV ou monitor CRT, onde o canhão de elétrons do monitor precisa atualizar a imagem várias vezes por segundo para evitar que as células de fósforo percam seu brilho. O processo de refresh atrapalha duplamente, pois consome energia (que acaba sendo transformada em calor, contribuindo para o aquecimento do micro) e torna o acesso à memória mais lento. Apesar disso, não existe muito o que fazer, pois a única solução seria passar a usar memória SRAM, que é absurdamente mais cara. Mesmo utilizando um único transistor por bit, os módulos de memória RAM são formados por um número assustador deles, muito mais que os processadores e outros componentes. Um módulo de memória de 4 GB, por exemplo, é formado geralmente por 16 chips de 2 gigabits cada um (2 gigabits = 256 megabytes). Com

Os micros 486 usavam memórias FPM, que foram substituídas pelas memórias EDO na época do Pentium. O lançamento do Pentium II e do K6-2 marcou a migração para as memórias SDRAM, que podem ser consideradas o início da era moderna. Existem 4 tipos de memória SDRAM: as SDR (uma transferência por ciclo), as DDR (duas transferências por ciclo), as DDR2 (4 transferências por ciclo) e as DDR3 (8 transferências por ciclo). Os módulos de memória SDR são usados em micros antigos: Pentium II, Pentium III e os primeiros Athlons e Durons soquete A. As memórias DDR passaram a ser usadas a partir do Athlon Thunderbird e do Pentium 4, enquanto as DDR2 foram adotadas a partir das placas soquete 775 (no caso da Intel) e a partir dos modelos Athlon 64 para placas AM2, no caso da AMD. Mais recentemente, temos assistido a uma nova migração, com a introdução dos módulos de memória DDR3, que foram adotados a partir dos processadores Core i7 e i5 no caso da Intel e a partir dos Phenom II destinados a placas AM3, no caso da AMD. Infelizmente, cada nova tecnologia de memória é incompatível com a antiga, o que elimina a possibilidade de aproveitar os módulos antigos ao fazer upgrade. Entretanto, a queda nos preços das memórias tem reduzido esse problema. Antigamente se gastava 500 reais ou mais para ter uma quantidade aceitável de memória no PC, enquanto hoje em dia pode-se passar muito bem com apenas um ou dois módulos de 80 reais cada. Algumas placas (geralmente modelos de baixo custo) possuem dois tipos de soquete, permitindo usar módulos SDR e DDR, DDR e DDR2 ou DDR2 e DDR3 de acordo com a conveniência, mas sem misturar os dois tipos. Elas são relativamente comuns durante os períodos de transição, quando uma tecnologia de memória é substituída por outra e podem ser uma opção em alguns casos. A evolução dos módulos de memória Nos micros XT, 286 e nos primeiros 386, ainda não eram utilizados módulos de

memória. Em vez disso, os chips de memória eram instalados diretamente na placa-mãe, encaixados individualmente em colunas de soquetes (ou soldados), onde cada coluna formava um banco de memória. Esse era um sistema antiquado e que trazia várias desvantagens, por dificultar upgrades de memória ou a substituição de módulos com defeito. Imagine você fazendo um upgrade de memória em uma placa como esta: Não é só você que não achou muito atraente a ideia de ficar catando chips de memória um a um. Foi questão de tempo até que alguém aparecesse com uma alternativa mais prática, capaz de tornar a instalação fácil até mesmo para usuários inexperientes. Os módulos de memória são pequenas placas de circuito onde os chips DIP são soldados, facilitando o manuseio e a instalação. Os primeiros módulos de memória criados são chamados de módulos SIMM, sigla que significa "Single In Line Memory Module", justamente porque existe uma única via de contatos, com 30 vias. Apesar de existirem contatos também na parte de trás do módulo, eles servem apenas como uma extensão dos contatos frontais, de forma a aumentar a área de contato com o soquete. Examinando o módulo, você verá um pequeno orifício em cada contato, que serve justamente para unificar os dois lados.