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HARDWARE PC:
ß Memórias
ß Chipsets
ß Microprocessadores
ß Barramento
ß Discos Rígidos
Joselias T. Oliveira [email protected]
Nilton Filipe Gomes de Pina [email protected]
Nilton Alves Jr. [email protected]
Resumo
A informática é uma área que esta evoluindo muito rapidamente. Novos hardwares e softwares são lançados no mercado num curto período de tempo, com novas tecnologias e recursos avançados sendo implementados. Esta nota técnica, foi realizada com base em pesquisas: na internet (através dos sites de fabricantes de hardware e dos profissionais da área), consultas em livros, revistas e jornais de informática.
Esta nota técnica tem por finalidade, servir como fonte de consulta a todos os usuários de PCs, que se interessem em conhecer o hardware que envolve o seu microcomputador.
Este trabalho visa englobar, alguns aspetos técnicos, considerados importantes para se entender o funcionamento do hardware existente nos nossos microcomputadores.
Esta nota técnica abordará os seguintes assuntos: chipsets, memórias, microprocessadores, barramentos e discos rígidos. Com relação a estes componentes foram abordados os seguintes tópicos: o funcionamento, definição, características mais importantes, tecnologias envolvidas, relação com outros componentes...
Índice
- 1 – Introdução......................................................................................................................................
- 2 – Memórias
- 2.1 - Funcionamento da memória na placa-mãe...............................................................................
- 2.1.1 - Memória ROM...................................................................................................................
- 2.1.2 - Memória cache
- 2.1.2.1 - Tecnologias..................................................................................................................
- 2.1.3 - Memória RAM...................................................................................................................
- 2.1.3.1 - FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM )
- 2.1.3.2 - EDO DRAM ( Extended Data Out DRAM )...............................................................
- 2.1.3.3 – SDRAM (Syncronous Dinamic RAM)......................................................................
- 2.1.3.4 - PC-66...........................................................................................................................
- 2.1.3.5 - PC-100
- 2.1.3.6 - PC-133
- 2.1.3.7 - DDR ou SDRAM-II (Double Data Rate SDRAM)
- 2.1.3.8 - RDRAM (Rambus DRAM)
- 2.1.3.9 - SLDRAM (Synclink SDRAM)
- 2.2 - Formato Físico das Memórias (módulos)................................................................................
- 3 – Chipsets.........................................................................................................................................
- 3.1 - Funcionamento do Chipset em uma placa-mãe.......................................................................
- 3.2 - Caractéristicas dos Chipsets ....................................................................................................
- 4 - Microprocessadores .......................................................................................................................
- 4.1 - Co-Processador ........................................................................................................................
- 4.2 - Alguns conceitos importantes sobre a tecnologia dos microprocessadores ............................
- 4.2.1 - Tecnologia CISC/RISC.....................................................................................................
- 4.2.2 - Previsão de desvio.............................................................................................................
- 4.2.3 - Arquitetura superescalar ...................................................................................................
- 4.2.4 - Multiprocessamento..........................................................................................................
- 4.2.5 - Tecnologia MMX..............................................................................................................
- 4.2.6 - Tecnologia MMX2............................................................................................................
- 5 – Barramentos. .................................................................................................................................
- 5.1 - Barramento Local....................................................................................................................
- 5.2 - Barramento X..........................................................................................................................
- 5.3 - Barramentos de Expansão.......................................................................................................
- 5.3.1 - Modelos dos barramentos de expansão.............................................................................
- 6 - Discos Rígidos IDE .......................................................................................................................
- 6.1 - Geometria ................................................................................................................................
- 6.2 - Funcionamento ........................................................................................................................
- 6.3 - Padrões: ...................................................................................................................................
- 6.4 - Capacidade de Armazenamento ..............................................................................................
- 6.4.1 - Limitação por hardware ....................................................................................................
- 6.4.2 - Limitação por Software ........................................................................................................
- 6.5 - Desempenho ............................................................................................................................
- Bibliografia .........................................................................................................................................
2 – Memórias
Quando o micro é ligado o processador carrega o sistema operacional, executa programas e manipula os dados conforme solicitado pelo usuário. Sabendo que, o processador não tem uma área interna de armazenamento muito grande de dados, essas informações são armazenadas em uma área chamada memória.
Fig.2.1- Memórias existentes em um micro.
O PC comum contém dois tipos principais de memória. O primeiro tipo é apenas para a leitura, conhecida como memória ROM (Read Only Memory). As informações podem ser armazenadas nela e lidas novamente. Contudo, não é geralmente possível gravar novas informações. Por isso ela é dita apenas para a leitura. Os chips dessa memória são programados antes de serem instalados no sistema, geralmente com hardware especialmente projetado executar esta função. O outro tipo é a memória de acesso aleatório conhecida como memória RAM (Random Access Memory). Ela é dinâmica, significando que o seu conteúdo pode ser modificado. As informações podem ser armazenadas na RAM, lidas e apagadas e novos dados podem ser então, guardados nela.
Ao se referir à capacidade de memória que o PC possui, na verdade está se referindo à capacidade da RAM.
2.1 - Funcionamento da memória na placa-mãe.
Quando o micro é ligado, o microprocessador faz uma série de: autoteste de inicialização. Sabendo que o processador por si mesmo não pode fazer absolutamente nada, essas operações são feitas obedecendo às instruções escritas na ROM. Uma dessas instruções é, carregar o sistema operacional para a memória RAM. A partir dali, o computador está pronto para funcionar obedecendo aos comandos do usuário.
2.1.1 - Memória ROM
Como mencionado acima o microprocessador não tem iniciativa própria, obedecendo às instruções escritas na ROM. Essa memória é constituída por três tipos de programas:
BIOS ( Basic Input/Output System ) - Conjunto de instruções de software que permite o microprocessador trabalhar com periféricos básicos como por exemplo a unidade de disquete...
POST ( Power - On Self Test ) - Autoteste de Inicialização realizada sempre que o micro é reinicializado. Esse autoteste executa as seguintes rotinas:
Identifica configuração instalada.
Inicializa todos circuitos periféricos de apoio da placa-mãe.
Inicializa o vídeo.
Testa o teclado.
Carrega o sistema operacional para a memória.
Entrega o controle do microprocessador ao sistema operacional.
SETUP (Configuração do sistema) - Programa de configuração de hardware do microcomputador. Essa configuração pode ser feita manualmente pelo usuário.
2.1.2 - Memória cache
O processador é muito mais rápido do que a memória RAM. Isso faz com que fique subutilizado quando ele precisa enviar muitos dados consecutivamente. Ou seja, durante grande parte do tempo não processa nada, apenas esperando que a memória fique pronta para enviar novamente os dados.
Para fazer com que o processador não fique subutilizado quando envia muitos dados para RAM, colocaram uma mais rápida, chamada memória cache , que é um outro tipo de memória, chamada de memória estática ou simplesmente SRAM (Static RAM). Um circuito chamado controlador deste, lê os dados da memória RAM e os copia para a memória cache. Se o processador precisar de alguns dados, estes estarão no cache ou não na RAM. Com a utilização desta memória o micro fica mais rápido, pois não há espera ao receber e enviar dados do processador com a RAM e vice-versa.
A memória cache é encontrada em dois tipos:
Memória cache L1 - Presente dentro do microprocessador ou cache interno. Encontrada nos tamanhos que variam de 16 a 64KB, divididas em duas partes, uma para dados outra para instruções.
Memória cache L2 - Presente na placa-mãe ou até dentro do processador, no caso de processadores mais novos. Quando é externo, o seu tamanho depende do chipset presente na placa- mãe. Quando é interno o tamanho varia de 128KB a 2MB.
2.1.3.1 - FPM DRAM ( Fast Page Mode DRAM )
Esta é a tecnologia com que os circuitos da memória RAM são tradicionalmente construídos. Este tipo de memória DRAM foi utilizada bastante durante os anos de 80, e também até aproximadamente 1995. A FPM existe em módulo de SIMM de 72 terminais e de 32 bits, utiliza uma matriz de capacitores ( lugar onde se armazenam dados internamente ), e os dados são lidos ou armazenados por vez, freqüência de barramento é de 66 MHz, os dados são transferidos utilizando ciclos 5-3-3-3 ( 5 ciclos para a primeira leitura e três ciclos para cada uma dos três ciclos seguintes, sendo que cada ciclo dura 15ns em um Pentium com clock externo de 66 MHz ), tempo de acesso 80ns, 70ns e 60ns Podem ser usadas em qualquer placa de CPU Pentium, mas já é considerada absoleta para o Pentium II.
2.1.3.2 - EDO DRAM ( Extended Data Out DRAM )
Criada em 1995, a EDO DRAM é obtida a partir de um melhoramento de engenharia nas memórias FPM DRAM. Isto foi possível graças a uma pequena modificação em sua estrutura interna, permitindo que o processador acesse um endereço de memória ao mesmo tempo em que ela ainda está entregando um dado pedido anteriormente. O resultado é uma economia de tempo, o que equivale a um aumento de velocidade. Podemos encontrá-lo em módulos SIMM de 72 e DIMM de 168 de 32 bits, utilizando uma matriz de capacitores, freqüência de barramento de 66 MHz, os dados são transferidos utilizando ciclos 5-2-2-2, tempo de acesso de 70, 60 ou 50ns. É suportada por todas as placas de CPU Pentium, a partir das que apresentam o chipset i430FX. Placas de CPU Pentium II também as suportam.
2.1.3.3 – SDRAM ( Syncronous Dinamic RAM )
No início de 1997, já era possível encontrar um novo tipo de memória, a SDRAM. Essa memória possui uma tecnologia interna muita avançada, permitindo que dois dados podem ser lidos ou armazenados por vez. Podemos encontrá-la em módulos DIMM de 168 pinos e 64 bits; ela utiliza duas matrizes de capacitores e freqüência de barramento de 100 MHz; nela os dados são transferidos utilizando ciclos 5-1-1-1 e tempo de acesso 10ns. Podemos encontrar ainda SDRAM de 66 e 125 MHz, com tempos de acesso de 16 e 8ns.
2.1.3.4 - PC-
São memórias SDRAM de até 10ns que trabalhem a 66MHz.
2.1.3.5 - PC-
Com o lançamento dos novos processadores que trabalham externamente a 100 MHz, como o K6-2 e Pentium II a partir de 350 MHz, um novo tipo de memória foi criado, chamado PC- 100. As memórias PC-100 são SDRAM e são as únicas capazes de trabalhar corretamente na freqüência de operação 100 MHz e com tempo de acesso de 8ns ou menos.
As memórias SDRAM de tempo de acesso 10ns são, teoricamente, capazes de trabalhar a 100 MHz. Na prática foi constatado que esse tipo de memória era instável para trabalhar a 100 MHz.
Há no mercado PC-100 mais rápidas que outras, porque possuem diferentes latências do sinal CAS (Column Adress Strobe - que mede quantos pulsos de clock são necessários para ler um dado na memória): as com latência de dois pulsos e as de trés pulsos de clock.
2.1.3.6 - PC-
São SDRAM que trabalham a 133MHz.
2.1.3.7 - DDR ou SDRAM-II ( Double Data Rate SDRAM )
É uma memória SDRAM muito mais avançada e que consegue trabalhar com o dobro do desempenho, ou seja, a sua freqüência de operação é de 200MHz. Podemos encontrá-las em placas-mãe equipadas com o processador AMD K7.
2.1.3.8 - RDRAM ( Rambus DRAM )
Ao contrário das demais tecnologias de memória RAM, a RDRAM é baseada em protocolo, isto é, usa padrão de barramento proprietário. A arquitetura interna dos circuitos, é muito diferente das demais pois, em vez de utilizar uma única matriz dos capacitores (como ocorre nas memórias FPM e EDO), ou até duas (como ocorre na memória SDRAM), ela utiliza 16 matrizes de capacitores, permitindo-a a leitura e escrita de até 16 dados simultaneamente por circuito. Possui taxa de transferência de 1,6GB/s em processadores que trabalham externamente a 200 MHz. Atualmente são utilizadas apenas em algumas máquinas de jogos e em aplicações gráficas muito intensivas.
2.1.3.9 - SLDRAM ( Synclink SDRAM )
É baseada em protocolos. Sua vantagem em relação ao RDRAM, é que possui arquitetura aberta e pode atingir a uma taxa de transferência de 3,2GB/s. Sua freqüência de operação é de 200MHz. Nem a Intel, nem a AMD, determinaram ainda a aplicação deste tipo de memória.
2.2 - Formato Físico das Memórias (módulos)
As memórias, quanto ao formato físico, se apresentam em módulos, que são pequenas placas de circuito, nas quais são soldados os chips de memória. Esses módulos recebem a seguinte classificação:
DIP- Dual in Parallel. Conhecida por “centopéia preta” utilizada nos XTs, 286s e nos primeiros 386s.
SIPP- Single in Lin Pin Package. Primeiro modulo de memória a surgir, foi utilizada nos 286s e primeiros 386s, e é um módulo de 8 bits de dados, encontradas nas versões de 256 KB, 1 MB, 4 MB.
3 – Chipsets
Chipset são circuitos de apoio ao processador (este sozinho não consegue controlar todo funcionamento da placa-mãe) que gerência praticamente todo funcionamento da placa mãe (controle de memória cache, DRAM, controle do buffer de dados, interface com a CPU, etc). É responsável pelas informações necessárias ao reconhecimento de hardware (armazenadas na sua memória ROM).
Fig.3.1 Aspecto de um chipset. (fig. retirada do livro “PC- Guia Prático de Manutenção”)
3.1 - Funcionamento do Chipset em uma placa-mãe
A arquitetura da placa-mãe depende do tipo de chipsets presente nesta. Entender o seu funcionamento e a sua importância, tornará melhor a compreensão do funcionamento do seu microcomputador.
O chipset é formado basicamente por três tipos de circuitos integrados:
Controlador de sistema (também chamada ponte norte ): é o circuito mais importante do chipset e o desempenho da placa-mãe esta intimamente ligado a ele. É composto de: integrados, controlador de memória, controlador de cache (quando a memória cache é externa ao processador), ponte barramento local-PCI e o barramento AGP (caso exista). Observar fig.3.2.
Buffer de dados : muitas vezes ele se encontra dentro do controlador de sistema. Controla a transferência de dados entre a memória RAM e o processador.
Controlador de periféricos (também chamada ponte sul ): neste circuito podemos encontrar: ponte barramento PCI-ISA, interface dos periféricos integrados à placa mãe (portas IDE, controladores de unidade de disquete, portas seriais e paralela, etc ), barramentos externos de expansão, controlador de periféricos (tem integrados o controlador de interrupções, o controlador de DMA e em alguns casos tem o controlador de teclado). É importante notar que o controlador de periféricos não ira controlar periféricos integrados on board (eles tem controladores próprios). Ver fig.3.2.
Fig.3.2 Funcionamento do chipset em uma placa-mãe.
(fig. retirada do livro ” Hardware curso completo”).
3.2 - Caractéristicas dos Chipsets
Entre diversas características de um chipset, destacamos:
Máximo de memória RAM que o chipset é capaz de acessar – a quantidade máxima de memória RAM que o processador pode acessar, é determinado pelo controlador de memória do chipset.
Máximo de memória cache que o chipset é capaz de acessar – da mesma forma, é o controlador de cache que estipula o máximo de memória cache que a placa-mãe possui.
Máximo de memória RAM que o chipset é capaz de acessar, utilizando a memória cache.
Tipos de memória RAM que o chipset é capaz de reconhecer – o controlador de memória do chipset também define os tipos de memória RAM que o pode acessar, ou seja, não adianta tentar instalar memória EDO em um micro se chipset não reconheça esse tipo de memória...
Tipos de memória cache que o chipset é capaz de reconhecer – da mesma forma que a anterior é o controlador de cache que determina o tipo de memória cache a ser instalada na placa- mãe.
Velocidade do chipset
Freqüência máxima – freqüência de operação do barramento local ou seja da placa mãe.
Capacidade ou não de multiprocessamento – se permite ou não o uso de mais de um processador numa mesma placa-mãe.
4 - Microprocessadores
Microprocessadores são circuitos integrados (chip) passíveis de serem programados para executar uma tarefa predefinida, basicamente manipulando e processando dados. Os outros componentes (RAM, unidades de disco e o monitor) existem somente para fazer uma ligação entre o usuário e o processador. É responsável por buscar e executar instruções existentes na memória. São instruções muito simples, como operações aritméticas e lógicas, leituras, gravações, comparações e movimentos de dados. Essas instruções, quando agrupadas, formam o que chamamos de programas. Para que um processador seja capaz de executar um programa, ele deverá ser capaz de reconhecer as instruções presentes no programa. Por isso, um 486 executa pode executar um programa escrito para 8088 (processador utilizado no primeiro PC), já que ele reconhece o conjunto de instruções do antigo 8088. Mas, ocorre caso de incompatibilidades de instruções em que um processador não consegue executar instruções de um outro e vice-versa.
Fig.4.1 Aspecto de um microprocessador.
4.1 - Co-Processador
É um microprocessador com utilização dedicada a alguma tarefa específica. O mais utilizado é o co-processador aritmético (ou matemático), chamado por vezes de FPU (Floating Point Unit – Unidade de Ponto Flutuante), indicado para quando queremos rapidez e precisão em cálculos, por exemplo, em computação gráfica, multimídia, jogos 3D e aplicações científicas. Como o processador não faz cálculos matemáticos muito complexos, o programa terá que desmembrar a tarefa em várias instruções que processador entenda. No caso do co-processador, ele já conhece todas as funções matemáticas e executa com só uma instrução (o que necessita de diversas outras em um processador comum).
4.2 - Alguns conceitos importantes sobre a tecnologia dos microprocessadores
4.2.1 - Tecnologia CISC/RISC
Quando um novo microprocessador é criado, aumenta-se o seu conjunto de instruções, para que se torne mais poderoso. Por outro lado, quanto mais instruções o microprocessador contém, maior sua tabela geral onde estão listados todos os tipos de instrução que o processador pode executar (conjunto de instruções). Quando uma instrução é dada ao microprocessador, uma
parte existente dentro dele – chamada decodificador de instruções – trata de verificar se aquela é válida (conferindo conjunto de instruções) e, em caso positivo, ele executa o subprograma referente a tal instrução dentro do microcódigo (área do microprocessador encarregado por armazenar pequenos programas). Microprocessadores com essas caraterísticas são denominadas CISC.
Quanto maior o conjunto de instruções, mais lento ficará o microprocessador pois a procura de uma determinada instrução e a sua efetiva execução dentro do microcódigo demora mais tempo para finalizar. Acontece que, para compensar essa demora, novos recursos (como o cache de memória, integração dos circuitos de apoio dentro do microprocessador, arquitetura superescalar, previsão de desvio...) são utilizados para aumento de desempenho.
No entanto, para processadores mais avançados, toda essa história estava se tornando um grande problema: com o aumento do conjunto de instruções e do microcódigo, o processador fica fisicamente maior e mais lento- e novos recursos de aumento de desempenho devem ser criados para ultrapassar esta lentidão.
Surpreendentemente, apesar de existir um conjunto de instruções grande, apenas 20% delas são usadas por programas e sistemas operacionais.
Com isso, surgiu uma nova idéia: a construção de microprocessadores com um conjunto reduzido de instruções e a sua padronização (instruções CISC não são padronizadas), a completa eliminação do decodificador de instruções e, principalmente, do microcódigo.
Microprocessadores construídos com a idéia acima mencionada são classificados como RISC (Reduced Instruction Set Computing – Computação utilizando um conjunto Reduzido de instruções). No entanto microprocessadores RISC são incompatíveis com os CISC. Então para que sejam compatíveis foi utilizada uma arquitetura híbrida CISC/RISC , que consiste em adicionar um decodificador CISC na entrada do núcleo RISC. Dessa forma, ele aceita programas CISC, porém os processa em seu núcleo RISC.
4.2.2 - Previsão de desvio
Isto ocorre quando existe uma condição do tipo - “A>B, vá para” – o controlador de memória cache, carrega para a memória cache todos os resultados (verdadeira ou falsa), em vez de esperar o núcleo do processador acabar o processamento para ver qual o desvio a ser tomado. Essa característica torna o micro mais rápido.
4.2.3 - Arquitetura superescalar
A arquitetura superescalar esta ligada a estrutura do processador, isto é um único processador funciona internamente como se existisse vários processadores normais (sem essa características) ou seja, realizar várias instruções ao mesmo tempo.
Assim quando estamos na presença de um processador com arquitetura superescalar de dupla canalização, implica dizer que pode realizar duas instruções ao mesmo tempo.
5 – Barramentos.
Vias de comunicação existentes na placa-mãe do micro, através dos quais o microprocessador transmite e recebe dados de circuitos externos.
Fig.5.1 Barramentos de uma Placa-mãe.
(fig. retirada do livro ” Hardware curso completo”)
Estas vias são constituídas por:
Barramento de dados – via por onde circulam os dados.
Barramento de endereços – via por onde a informação de um dado endereço é fornecida.
Fig.5.2 Barramento.
(fig. retirada do livro ” Hardware curso completo”)
Barramento de controle – via por onde circulam informações adicionais como, por exemplo, se a operação é de leitura ou escrita.
Na placa-mãe encontramos três tipos barramento:
Barramento Local.
Barramento X.
Barramento de Expansão.
5.1 - Barramento Local
É o principal barramento do micro, e nele estão conectados os principais circuitos da placa-mãe tais como: memória RAM, chipsets, processadores, memória cache.
Características :
Freqüência de operação (clock externo) igual do processador;
Barramento de dados igual ao do processador;
Barramento de endereços igual ao do processador
Não é padronizado (depende do processador);
Fig.5.3-Barramento local.
(fig. retirada do livro ” Hardware curso completo”)
5.2 - Barramento X
Barramento onde estão conectados os periféricos on-board ou seja, periféricos integrados á placa-mãe, como placa de som, vídeo, fax-modem e rede...
PCI( Peripheral Component Interconnect ):
Barramento de dados de 32 e 64bits;
Barramento de endereços de 32bits;
Freqüência de operação de 33 e 66MHz
Fig.5.5 Barramento PCI de 32 bits.
(fig. retirada do livro ” Como montar, configurar e expandir seu PC de 200 a 500 MHz”)
Este barramento nas placas-mãe 486 trabalha na mesma freqüência do processador. Mas no caso de Pentium e superiores trabalha na metade de freqüência.
AGP( Accelerated Graphics Port ):
Barramento de dados de 32 bits;
Barramento de endereços de 32 bits
Freqüência de operação de 66MHz
Fig.2.6-Barramento AGP.
(fig. retirada do livro ” Como montar, configurar e expandir seu PC de 200 a 500 MHz”)
Este barramento comunica diretamente com a memória RAM, através do barramento local, o que faz com que a sua taxa de transferência aumenta, ou seja a sua freqüência de operação aumenta podendo atingir a 133MHz. operar em três modos:
Modo x1: 264MB/s.
Modo x2: 528MB/s.
Modo x3: 1GB/s.
USB( Universal Serial Bus ):
É um tipo de barramento para periféricos onde, todos os periféricos externos são conectados na placa mãe, através de um único plug.
Fig.5.7-Barramento USB-uma porta padrão para todos os periféricos.
(fig. retirada do livro ” Hardware curso completo”)
O plug USB é padronizado para todos os seus periféricos. Isso acaba com problemas da falta de padronização dos PCs pois, nos micros atuais podemos verificar que para cada periférico, normalmente há a necessidade de uma porta e, dependendo do periférico há a necessidade de configuração e instalação da placa dentro do micro...
Fig.5.8 Plug USB – padrão para todos periféricos.
(fig. retirada do livro ” Hardware curso completo”)
Este barramento é plug-and-play, ou seja, você pode encaixar e desencaixar periféricos com o micro ligado. Utiliza basicamente duas taxas de transferência:
12 Mbps - para periféricos que exigem mais velocidade como câmeras digitais, modems, impressoras, scanners...
1,5 Mbps - para periféricos mais lentos como teclados, mouse...
IrDA( Infrared Developers Association ):
É um barramento sem fios em que a comunicação é feita através de luz infravermelha, da mesma forma que ocorre na comunicação do controle remoto da televisão. Pode ser utilizado para conectar vários tipos de periféricos sem fio ao micro, tais como teclado, mouse e impressora.
