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Introdução à Arquitetura de
Computadores
- Capítulo 3Capítulo
- 3.1 Introdução 3.0 Índice
- 3.2 Componentes básicos de um computador
- 3.3 Processador
- 3.3.1 Unidade Lógica e Aritmética
- 3.3.2 Unidade de Controle (UC)
- 3.3.3 Registradores
- 3.3.4 Clock
- 3.4 Processadores CISC e RISC
- 3.5 Memória
- 3.5.1 Memória Principal
- 3.5.2 Tecnologias de memória RAM
- 3.5.3 Memória Secundária
- 3.5.4 Memória Cache
- 3.6 Barramentos
- 3.6.1 Barramento do processador
- 3.6.2 Barramento de Cache
- 3.6.3 Barramento da Memória
- 3.6.4 Barramento de E/S
- 3.6.5 Barramento ISA
- 3.6.6 Barramento MCA
- 3.6.7 Barramento EISA
- 3.6.8 Local bus
- 3.6.9 VESA Local Bus
- 3.6.10 Barramento PCI
- 3.6.11 Barramento PC-Card (PCMCIA)
- 3.6.12 USB
- 3.6.13 Firewire (IEEE 1394)
- 3.7 Dispositivos de Entrada/Saída
3.1 Introdução
Como foi mencionado no capítulo 1, tem-se observado uma atuação cada vez maior dos computadores nas diversas atividades do nosso dia a dia. As operações bancárias, as telecomunicações e o manuseio de muitos aparelhos eletrodomésticos são exemplos claros das facilidades trazidas pela utilização dos computadores, isto sem falar em aplicações mais clássicas, como os sistemas de reservas de passagens aéreas e a previsão meteorológica. A evolução da informática foi caracterizada pelo desenvolvimento de computadores com características as mais diversas, traduzidas pelos diferentes parâmetros, cada vez mais conhecidos da maioria de usuários de computador: a CPU adotada, a capacidade de memória, a capacidade do disco rígido, a existência de memória cache e outros menos conhecidos. A definição destes parâmetros e a forma como os diversos componentes de um computador são organizados, define aquilo que é conhecido por arquitetura de computador e vai determinar aspectos relacionados à qualidade, ao desempenho e à aplicação para a qual o computador vai ser orientado.
3.2 Componentes básicos de um computador
Apesar da existência de uma grande diversidade em termos de arquiteturas de computador, pode-se enumerar, num ponto de vista mais genérico os componentes básicos desta classe de equipamentos. A Figura 1 apresenta um esquema de um computador, destacando os elementos que o compõem. Apesar da grande evolução ocorrida na área de informática desde o aparecimento dos primeiros computador, o esquema apresentado na figura pode ser utilizado tanto para descrever um sistema computacional atual como os computadores da década de 40, projetados por engenheiros como John Von Neuman.
Memória Processador^ Periféricos
Barramento
Figura 1. Elementos básicos do computador Os principais elementos do computador são: n O processador (ou microprocessador) é responsável pelo tratamento de informações armazenadas em memória (programas em código de máquina e dos dados). n A memória é responsável pela armazenagem dos programas e dos dados. n Periféricos , que são os dispositivos responsáveis pelas entradas e saídas de dados do computador, ou seja, pelas interações entre o computador e o mundo externo. Exemplos de periféricos são o monitor, teclados, mouses , impressoras, etc. n Barramento , que liga todos estes componentes e é uma via de comunicação de alto desempenho por onde circulam os dados tratados pelo computador.
3.3 Processador
Um microprocessador, ou simplesmente processador, é um circuito integrado (ou chip), que é considerado o "cérebro" do computador (Figura 2). É ele que executa os
b) Comanda todos os outros chips do computador. A CPU é composta basicamente de três elementos: unidade de controle, unidade lógica e aritmética e registradores. As sessões que seguem apresentam cada um destes componentes.
3.3.1 Unidade Lógica e Aritmética
O primeiro componente essencial num computador (ou sistema computacional) é a Unidade Lógica e Aritmética (ALU), a qual, como o próprio nome indica, assume todas as tarefas relacionadas às operações lógicas (ou, e, negação, etc.) e aritméticas (adições, subtrações, etc...) a serem realizadas no contexto de uma tarefa. Neste contexto, é importante observar a evolução que a ALU sofreu ao longo dos anos e quais são os parâmetros que influenciam no desempenho global de um sistema computacional: n Um parâmetro importante é o tamanho da palavra processada pela unidade lógica e aritmética. Como o sistema de numeração adotado nas arquiteturas de computadores é o binário, o tamanho de palavra é dado em números de bits. Quanto maior o tamanho da palavra manipulada pelo microprocessador, maior é o seu potencial de cálculo e maior a precisão das operações realizadas. n A velocidade de cálculo obviamente é outro fator de peso para o desempenho do computador, uma vez que ela será determinante para o tempo de resposta de um sistema computacional com respeito à execução de uma dada aplicação. A velocidade de cálculo está diretamente relacionada com a freqüência do relógio que pilota o circuito da CPU como um todo. n Outro parâmetro importante associado ao desempenho do computador é a quantidade de operações que ela suporta. Por exemplo, os primeiros processadores suportavam um conjunto relativamente modesto de operações lógicas e aritméticas. Em particular, no que diz respeito às operações aritméticas, os primeiros processadores suportavam apenas operações de adição e subtração, sendo que as demais operações tinham de ser implementadas através de seqüências destas operações básicas. Os processadores suportando um conjunto mais complexo de instruções surgiu de 15 anos para cá, graças à adoção da tecnologia CISC ( Complex Instruction Set Computer ). A evolução nos tempos destes parâmetros será apresentada aqui a partir da história dos microprocessadores da família Intel, resumida na tabela abaixo. Nome Ano Clock (MHz)
REG (bits).
Barra- mento (bits)
N. de Transistores
Memória Endere - çável
Comentários
4004 1971 0,108 4 4 2.300 640 bytes primeiro microprocessador (manipulação aritmética) 8008 1972 0,108 8 8 3.500 16 KB primeiro micro 8 bits (manipulação de dados/caracteres) 8080 1974 2 8 8 6.000 64 KB primeira CPU num chip (10x o desempenho do 8008) 8086 1978 5-10 16 16 29.000 1 MB primeira CPU 16 bits num chip (10x o desempenho do 8086) 8088 1980 5-8 16 8 29.000 1 MB processador do IBM -PC 80286 1982 8-12 16 16 134.000 16 MB aumento no endereçamento (3-6x o desempenho do 8086 80386DX 1985 16-33 32 32 275.000 4 GB primeira CPU 32 bits 80386SX 1988 16-20 32 16 275.000 4 GB 80386 com barramento 80286 80486 DX
1989 25-50 32 32 1.200.000 4 GB versão 80386 mais rápida
80486 SX 1989 16-33 32 32 1.185.000 4 GB 80486 sem coprocessador matemático Pentium 1993 60-166 32 32 3.100.000 4 GB Arquitetura Super-escalar, 5x o desempenho do 486DX 33 Pentium Pro
1995 150-200 32 64 5.500.000 4 GB Arquitetura de Execução dinâmica
Pentium II
1997 233-450 32 64 7.500.000 64 GB Barramento Duplo independente, execução dinâmica, e tecnologia MMX Pentium 1998 400-450 32 64 7.500.000 64 GB Para estações de trabalho e servidores
II Xeon Pentium III
1999 450 a 1130
32 64 9.500.000 64 GB PCs de negócio e de consumidores, servidores e estações de trabalho Pentium III Xeon
1999 500 e 550
32 64 9.500.000 64 GB PCs de negócio e servidores e estações de trabalho. A sociedade Intel fundada em 1968, iniciou a fabricação de memórias para computadores, até que um fabricante de computadores lançou o desafio de construir uma unidade central de processamento (CPU), num único circuito para uma calculadora eletrônica. Assim, foi desenvolvida a CPU 4004 de 4 bits, e logo depois o 8008. Estes foram as primeiras CPUs integradas num único chip. A fabricação foi em pequena escala, pois a empresa não pensou que estas pudessem interessar a outros fabricantes. Esses chips eram caríssimos. Custavam, na época do seu lançamento, mais de 1000 dólares. Em função do sucesso do 8008, a Intel lançou-se na fabricação de um novo chip que permitisse ultrapassar a barreira dos 16 Kbytes de memória, limite imposto devido ao número de pinos do 8008. Nasceu então o 8080 (1974), que provocou uma revolução no que diz respeito à indústria dos computadores. O 8080 foi o primeiro microprocessador a ser usado em larga escala nos chamados "computadores pessoais". Antes deles, os microcomputadores eram usados apenas em laboratórios científicos, em fábricas e em universidades. O 8080 popularizou o uso de microcomputadores por pequenas empresas e até para uso pessoal. Era comuns os micros pessoais baseados no 8080 e em outros microprocessadores rivais: o MC6800 da Motorola, o 6502, usando em um antigo microcomputador chamado de APPLE, e o Z-80 fabricado pela ZILOG, usado em um antigo computador chamado TRS-80. Surgia então a indústria dos microcomputadores. Ao mesmo tempo, surgia a indústria do software para microcomputadores, que criava programas de vários tipos para serem usados nessas máquinas. Os microcomputadores dessa época já tinham teclado, vídeo e impressora. Seus dados e programas eram gravados normalmente em gravadores de fita K- adaptados para trabalhar com microcomputadores. A INTEL produziu ainda, no final dos anos 70, um outro microprocessador para substituir o 8080. Chamava-se 8085. Todos esses microprocessadores (8080, 8085, Z-80, 6502, 6800 e outros) operavam com 8 bits. A Figura 5 mostra um dos primeiros microcomputadores brasileiros, o SCHUMEC M-101/85, lançado em 1981. Tinha um microprocessador INTEL 8085 de 6 MHz, 16 KB de memória e um gravador de fita K- para armazenamento de programas e dados. Seu monitor de vídeo era na verdade uma TV PHILIPS adaptada, já que nesta época o Brasil não fabricava monitores.
Figura 5. Microcomputador SCHUMEC M 101/ Pouco depois, é lançada a primeira CPU em 16 bits, o 8086, concebido no mesmo espírito do 8080. O próximo passo foi o 8088, que possuía a mesma arquitetura do 8086, mas com um barramento interno de 8 bits e não de 16 como seu antecessor. Nessa ocasião, a IBM, que é o maior fabricante de computadores em todo o mundo, ainda não fabricava microcomputadores. Seus produtos eram os computadores de grande porte usados nos grandes centros de processamento de dados, e custavam alguns milhões de dólares. A IBM decidiu então entrar no mercado de comput adores pessoais. Escolheu então o microprocessador 8088 para usar em seu microcomputador, chamado de "IBM Personal Computer", ou simplesmente, IBM PC. O IBM PC, o primeiro microcomputador de 16 bits, passou logo a dominar o mercado. Até os dias atuais, os modernos microcomputadores são compatíveis com o IBM PC original, lançado em 1981. Este microcomputador tinha as seguintes características: n Microprocessador 8088, operando a 4.77 MHz
3.3.4 Clock
Clock é um circuito oscilador que tem a função de sincronizar e ditar a medida de velocidade de transferência de dados no computador, por exemplo, entre o processador e a memória principal. Esta freqüência é medida em ciclos por segundo, ou Hertz. Existe a freqüência própria do processador, comandando operações internas a ele, e a freqüência do computador a ele associado, basicamente ciclos CPU-Memória principal. Os processadores Pentium-100, Pentium MMX-233, Pentium II-300, acessam a memória principal a 66 MHz. Suas freqüências respectivas de 100, 233 e 300 MHz são atingidas, tão somente, no interior do chip. Dizem, portanto, respeito ao processamento interno do processador e não à freqüência na relação CPU-Memória do computador. Já os processadores Pentium II-350 e superiores tem uma freqüência externa de 100 MHz, acaretando um desempenho melhor do microcomputador, tanto no processamento propriamente dito quanto nas operações de disco e vídeo.
3.4 Processadores CISC e RISC
Uma instrução em um programa de alto nível é implementado por diversas instrução de processador a mais baixo nível. Por exemplo, uma instrução de um programa que imprime um conjunto de caracteres na tela é realizado a nível de processador por um conjunto de instruções. De acordo com o número de instruções suportadas, pode-se classificar um processador como RISC (Reduced Instruction Set Computing) ou CISC (Complex Instruction Set Computing). Os microprocessadores são, em sua maioria, chips CISC. Um processador CISC suporta um conjunto maior de instruções, sendo cada instrução mais especializada; graças a isso, ele pode executar, de modo direto, a maioria das operações programadas pelos programas de alto nível. Devido a isto, o número de instruções de processador para implementar uma instrução de mais alto nível são menores. Mas quanto maior a quantidade de instruções que um processador suporta, mais lenta é a execução de cada uma delas. Um processador RISC reconhece um número limitado de instrução, que, em contrapartida, são otimizadas para que sejam executadas com mais rapidez. Portanto, a arquitetura RISC reduz o conjunto de instrução ao mínimo, e as instruções não implementadas diretamente são realizadas por uma combinação de instruções existentes. Mas em compensação, um programa é implementado por um número maior de instruções. A Apple desenvolveu, sob a arquitetura RISC, em parceria com a Motorola e a IBM, o chip Powerpc, com mais poder de processamento que o chip Pentium. Ele equipa a linha de microprocessadores MakPower (nos modelos 6100, 7100, 8100).
3.5 Memória
Todo computador é dotado de uma quantidade de memória (que pode variar de máquina para máquina) a qual se constitui de um conjunto de circuitos capazes de armazenar os dados e os programas a serem executados pela máquina. Nós podemos identificar diferentes categorias de memória: n a memória principal , ou memória de trabalho, onde normalmente devem estar armazenados os programas e dados a serem manipulados pelo processador; n a memória secundária que permitem armazenar uma maior quantidade de dados e instruções por um período de tempo mais longo; o disco rígido é o exemplo mais evidente de memória secundária de um computador, mas podem ser citados outros dispositivos menos recentes como as unidades de fita magnética e os cartões perfurados;
n a memória cache , que se constitui de uma pequena porção de memória com curto tempo de resposta, normalmente integrada aos processadores e que permite incrementar o desempenho durante a execução de um programa. Os circuitos de memória são normalmente subdivididos em pequenas unidades de armazenamento, geralmente um byte. Cada uma desta unidade é identificada no circuito por um endereço único, o qual vai ser referenciado pelo processador no momento de consultar ou alterar o seu conteúdo. Por exemplo, .no caso do processador 8088 nós temos um espaço de endereçamento de 1 MBytes, então este endereço único vai de 0 a FFFFF, conforme ilustração abaixo. As quantidades de memória hoje são definidas em termos de Kbytes (quilobytes) que correspondem a 1024 bytes ou (2^10 bytes) e MBytes (megabytes), que correspondem a 1024 KBytes ou ( 20 bytes). Endereço hexadecimal Conteúdo de memória 00000 00 00001 23 00002 00 ... ... ... ... FFFFE E FFFFF FF
3.5.1 Memória Principal
A memória principal , ou memória de trabalho, é onde normalmente devem estar armazenados os programas e dados a serem manipulados pelo processador. Geralmente é esta memória que se referencia na especificação de um microcomputador. E hoje, as quantidades de memória mais usuais disponíveis nos microcomputadores são 32, 64, 128 e 256 MBytes de memória, ou mesmo até mais para aplicações específicas. Em termos básicos, a memória principal é vista como um conjunto de chips que são inseridas na placa mãe do computador. Pode-se ver na Figura 6 alguns tipos de chips de memória, usados para formar a memória principal de microcomputadores. Os dois módulos superiores desta figura são as memórias utilizadas atualmente. Mais adiante serão apresentadas as tecnologias de memória e os tipos de empacotamento.
Figura 6. Chips de memória Os módulos de memória mais usados nos microcomputadores são os dois módulos de memória superiores da Figura 6. O mais superior é conectado no barramento PCI e o segundo no barramento ISA (estes tipos de barramento serão apresentados mais adiante). Estes módulos são colocados na placa mãe, como apresentado na Figura 7.
passagem de luz. É fácil identificar um chip EPROM na placa mãe justamente pela presença desse adesivo. − EEPROM : Significa Electrically Erasable Programmable ROM (EEPROM ou E2PROM). Esta é o tipo de memória ROM mais flexível, que pode ser apagada sob o controle de software. Este é o tipo que se usa para armazenar as BIOS atuais. Dessa forma, o usuário pode realizar atualizações no BIOS, fornecidas pelo fabricante da placa de CPU. Quando se ouve falar em “flash BIOS” ou “fazendo um upgrade de BIOS”, isto se refere a reprogramação do BIOS EEPROM com um programa de software especial.
Memória fora da placa mãe
Como já mostramos, a placa mãe contém quase toda a memória de um microcomputador, mas outras placas também podem conter memórias, do tipo RAM e do tipo ROM. Por exemplo, as placas de vídeo contém uma ROM com o seu próprio BIOS, e contém uma RAM chamada de memória de vídeo, que armazena os caracteres e gráficos que são mostrados na tela. Podemos ver na Figura 8 os chips de memória existentes na PLACA DE VÍDEO de um microcomputador.
Figura 8. Placa de ví deo e suas memórias
3.5.2 Tecnologias de memória RAM
Como já apresentado, existem vários tipos de RAM com diversas características e para diversas aplicações. A mais conhecida é a SRAM (estática) e as várias tecnologias DRAM (dinâmica).
SRAM
A Static Ram é um tipo de RAM que mantém seus dados sem uma reatualização externa (refresh), na medida que seus circuitos são alimentados continuamente. Ao contrário, as DRAM necessita de pulsos de 15ns para manter seu conteúdo, de forma que a energia não fique o tempo todo abastecendo os chip. Esse pulso periódico é o refresh. Toda a memória RAM é mais lenta ou mais rápida de acordo com o tempo de acesso medido em nano-segundos (bilionésimos de segundo). A SRAM é mais rápida que a DRAM. É comum hoje encontrar nas DRAMs 6 a 150ns de tempo de acesso (dependendo da tecnologia DRAM), enquanto que nas SRAM é de até 15ns. Mas ela apresenta algumas fraquezas. SRAM tem um custo por byte muitas vezes maior que as DRAM. Cada bit da DRAM necessita de um transistor e de um capacitor (que quando energizado mantém a carga elétrica se o bit contém um “1” ou sem carga se ele contém um 0”). Já a memória SRAM não necessita de refresh, como se a corrente elétrica estivesse o tempo todo ligada a ela, por meio de interruptores que acionam e fecham a memória. Assim, o tempo de acesso é menor. Mas a sua desvantagem é o seu tamanho, pois requer seis transistores para cada bit. Estas vantagens e desvantagens mostram claramente que em termos de desempenho as SRAM são melhores que DRAM. A única coisa que proíbe o uso generalizado da memória SRAM é seu custo. Por isto, as SRAMs são usadas basicamente para compor a memória cache (visto mais adiante).
Memórias DRAM
Como apresentado, a DRAM é um tipo de memória RAM que apenas mantém os dados se eles são continuamente reforçados por um circuito lógico especial chamado circuito refresh. Devido a esta construção, também a ação de leitura refresca os conteúdos da memória. Se isto não for feito regularmente, então a DRAM perderá seus conteúdos, mesmo se a alimentação for mantida. Esta ação de refrescamento é que dá o nome a memória de dinâmica. Todos os PCs usam DRAM para constituir sua memória de sistema (em vez de SRAM). A razão é simples, elas são mais baratas e tomam menos espaço, tipicamente ¼ da área de silício das SRAMs ou menos. Existem várias espécies de tecnologias de DRAM e as velocidades que elas fornecem são diferentes. Estas tecnologias serão vistas mais adiante. Os chips de DRAM diferenciam nos seguintes aspectos: n número de células na memória; n tamanho de cada célula na memória; n tempo de acesso; n encapsulamento; O número de células é relacionado com a capacidade de armazenamento (ou posições de memória), existindo chips com 8KB a 16MB de células de memória. O tamanho das células de memória é o número de bits que cada célula armazena. Existem chips de memória com 1, 4, 8, 9, 32 ou 36 bits. O tempo de acesso, como já dito, é em bilionésimos de segundo, conhecidos como nano-segundos. Até o final dos anos 80, a memória DRAM era feita com o encapsulamento DIP, que tinha que ser encaixada na placa-mãe. Logo depois surgiu o encapsulamento SIPP, que deu lugar, por sua vez, ao encapsulamento SIMM. Veja cada um dos chips abaixo.
Figura 9. Um chip de memória DIP
Figura 10. Um módulo de memória SIPP
Figura 11. Um módulo de memória SIMM Até hoje os chips de memória que compõem as placas adaptadoras são do tipo DIP ( Dual In-Line Package ).
Figura 15. Combinação para se chegar a 64 bits num Pentium Logo, a partir de 1995, praticamente todas as placas-mãe passaram a ser fabricadas com soquetes que suportavam esses módulos de 72 vias. Em outros casos, as placas- mãe podiam possuir ainda um banco de 30 vias e dois bancos de 72 vias, isto é, quatro soquetes de 30 vias e 2 soquetes de 72 vias. E em 1997 surgiram as memória no encapsulamento DIMM (Dual In-Line Memory Module), que é um módulo de memória com um encaixe igual ao do SIMM, mas que é de 168 pinos, praticamente o dobro do tamanho de um SIMM. Essa memória é de 64 bits. Assim, para um Pentium, basta um desses módulos de memória para funcionar.
Figura 16. Módulo de memória DIMM de 32MB É normal encontrar nos computadores de hoje 32 a 256MB de memória, podendo haver mais que isto. Para cada quantidade, deve-se ter a combinação certa de memória a ser colocada. O número de barramentos de memória da placa mãe define a quantidade máxima de memória de um computador.
Asynchronous and Synchronous DRAM
A DRAM convencional, do tipo que era usada nos PCs desde os dias dos IBM PCs originais, é dita ser assíncrona. Isto se refere ao fato que a memória não é sincronizada com o relógio do sistema (clock). Um acesso a memória é iniciado, e um certo tempo posterior o valor de memória aparece no barramento. Os sinais não são coordenados com o clock do sistema. Estas memórias assíncronas trabalham bem com barramentos de memória de baixa velocidade, mas não trabalham bem com sistemas de memória de alta velocidade (>66MHz). O novo tipo de DRAM, chamada "synchronous DRAM" ou "SDRAM", é sincronizada com o relógio do sistema, todos os sinais são ligados ao clock de maneira que ela é melhor controlada. Como clock é coordenado pela clock da CPU, o tempo de execução de comandos e transmissão de dados é reduzido. Este tipo de memória é muito mais rápida que a DRAM assíncrona e pode ser usada para melhorar o desempenho do sistema.
Portanto as SDRAM são melhores adaptadas aos sistemas de memória de alta velocidade dos novos PCs. Praticamente todos os micros novos são vendidos com um tipo de memória chamada SDRAM, mas é sempre bom confirmar com o vendedor se a sua memória é desse tipo ou de uma tecnologia mais antiga (como EDO ou FPM), que devem ser evitadas atualmente, pois encontram-se obsoletas e são mais lentas que as memórias SDRAM.
Memórias PC-66 e PC-
Existem dois tipos de memória SDRAM no mercado atualmente: PC-66 e PC-100. O primeiro tipo deve ser utilizado por processadores que trabalham externamente a 66 MHz, como os processadores Pentium II até 333 MHz e Celeron. Já o segundo tipo deve ser obrigatoriamente utilizado pelos processadores que operam a 100 MHz externamente, como o Pentium II a partir de 350 MHz, Pentium III, K6-2 a partir de 300 MHz e K6-III. As memórias SDRAM de 10ns de tempo de acesso são, teoricamente, capazes de trabalhar a 100 MHz. Mas, na prática, foi constatado que esse tipo de memória era instável para sistemas de 100 MHz. Com isso, somente são aconselhadas para micros com barramento de 100 MHz memórias com tempo de acesso de 8 ns ou menos. Essas memórias são as PC-100. Caso uma memória PC-66 for utilizada em processadores que operam externamente a 100 MHz (em vez de memórias PC-100), o computador apresenta diversos problemas de congelamentos e resets aleatórios, além dos conhecidos erros de tela azul da morte e GPF ("Esse programa executou uma operação ilegal e será fechado"). É por esse motivo que, ao fazer um upgrade de um processador com barramento de 66 MHz para um com barramento de 100 MHz, é necessário trocar também a memória RAM. Identificar memórias PC-66 e PC-100 é relativamente simples, são aquelas que tem um tempo de acesso de 8ns ou inferior. Toda memória possui estampada, em seus circuitos, uma codificação após um sinal de "-". Memórias -10 ou com valores superiores (-12, -15, etc) são memórias do tipo PC-66. Já memórias com marcação –8 ou inferiores (-7, etc.) são memórias do tipo PC-100.
DDR or SDRAM II
Double-data rate SDRAM é uma versão mais rápida de SDRAM que é capaz de ler dados na subida e descida do clock do sistema, assim dobrando a taxa de dados do chip de memória.
Rambus DRAM® (Rambus™ RDRAM)
RDRAM, desenvolvida pela empresa Rambus, é uma memória extremamente rápida e usada como um canal rápido para transmitir dados a velocidades de 10 vezes mais rápidas que as DRAM padrões. Espera-se que esta tecnologia seja usada como memória principal dos PCs.
3.5.3 Memória Secundária
Além da memória principal, que é diretamente acessada pela CPU, existe também a memória secundária (também chamada de memória de massa). Este tipo de memória não é acessada diretamente pela CPU. Seu acesso é feito através de interfaces ou controladoras especiais. A memória secundária é uma memória do tipo permanente (não se apaga quando o computador está desligado), que tem uma alta capacidade de armazenamento, e um custo muito mais baixo que o da memória principal. A memória secundária não é formada por chips, e sim, por dispositivos que utilizam outras tecnologias de armazenamento. A Figura 17 apresenta alguns exemplos de memória secundária: o disco rígido, disquetes, CD-ROM e fita magnética. O disco rígido, assim como os disquetes e as unidades de fita, usam a tecnologia magnética para armazenar dados. Os discos CD-ROM usam tecnologia ótica.
Figura 18. Arquivos "vistos" na tela e na impressora
Discos Rígidos
Em termos gerais, um disco rígido usa discos achatados chamados pratos, revestido nos dois lados por um material magnético projetado para armazenar informações. Os pratos são montado em uma pilha. Estes pratos (o disco) giram a uma rotação constante ( a 7200 rpm) desde que o computador é ligado. Dispositivos especiais de leitura/escrita, chamados de cabeçotes, são usados para escrever ou ler informações no/do disco, sendo que sua posição no disco é controlada por um braço atuador. Cada prato contém dois cabeçotes, um na parte superior do prato e outro na parte inferior. Assim, um disco rígido com dois pratos tem quatro cabeçotes. Todos os cabeçotes são presos a um único braço atuador, eles não se movem individualmente. Os discos rígidos e a CPU se comunicam via um conjunto de circuitos denominados controladora de disco rígido que está geralmente integrada na placa-mãe, mas pode ser uma placa independente. Um exemplo de placa controladora é a SCSI (Small Compact System Interface), que permite a conexão de diversos periféricos, inclusive de naturezas distintas. Outra controladora muito usada é a IDE (Intelligent Drive Electronics). Dados são organizados no disco em cilindros, trilhas e setores (Figura 19). É a formatação que marca o disco com trilhas e setores. Cilindros são trilhas concêntricos na superfície dos discos. Hoje, existem aproximadamente 3000 trilhas em cada lado de um prato de 3,5 polegadas. Uma trilha é dividida em setores. Cada setor tem o tamanho de 512 bytes. Em uma operação de leitura de um setor, o controlador de disco interpreta o endereço do dado e move os cabeçotes para o cilindro que contém os dados. Quando os cabeçotes estão na posição correta, o controlador ativa o cabeçote específico para ler a trilha que contém o dado. O cabeçote então lê a trilha procurando o setor que contém o dado para leitura. A placa controladora do disco coordena o fluxo de informação vinda do disco rígido em uma área de armazenamento temporária (cache). Ela então envia a informação pela interface do disco rígido.
Setor
Cilindro
Trilha
Figura 19. Disco Rígido Muitas vezes os blocos de dados de um arquivo estão espalhados ao redor do disco. Portanto, alguns mecanismos são necessários para rastrear os blocos de um arquivo (p.e. lista ligada, FAT – File Allocation Table no DOS, I-node do UNIX). Quando da leitura de vários blocos em um arquivo espalhado, uma busca deve ser realizada para a leitura de cada bloco. Os XTs usavam discos rígidos com 10 MB, mas atualmente existem discos rígidos com várias capacidades. Em 1991, a maioria dos microcomputadores usava discos rígidos com 40, 60 ou 80 MB. Já em 1993, os discos de 120 e 200 MB eram mais comuns. Atualmente a capacidade dos discos rígidos mais usuais são: 4.3, 6.4, 8.4, 9.1, 10.2 GB. Mas existem discos rígidos com maior capacidade, como 18.2 GB. Considere por exemplo, um computador com 64 MB de RAM (que faz parte da memória principal) e um disco rígido de 8.4 GB (que faz parte da memória secundária). Os 8.4 GB do disco rígido servem para armazenar diversos programas e diversos dados. Os 64 MB de RAM servem para manter apenas os programas e os dados que estão sendo efetivamente processados. Podemos também mostrar como o custo da memória secundária é muito mais baixo que o da memória principal. Enquanto 64 MB de RAM custa cerca de R$ 250,00 (preço de janeiro/2000), um disco rígido de 8.4 GB custa cerca de R$ 420 (preço de janeiro/2000).
CD-ROM (Compact-Disck Read-Only Memory)
O CD-ROM é o meio de armazenamento que tem o menor custo por cada MB armazenado. Infelizmente, como o nome já diz, esse tipo de disco não pode ser usado para gravar dados. Pode ser usado apenas para leitura. O CD-ROM tem sido utilizado para veiculação de software, dicionários, enciclopédias, etc. Um CD-ROM utiliza técnicas óticas de laser em vez de eletromagnetismo. A leitura de um CD é feita com a emissão de um feixe de laser sobre a superfície do disco. Sob a mesma tecnologia, encontram-se os WORM (Wirte Once, Read Many), discos óticos que podem ser gravados apenas uma vez, mas lidos inúmeras vezes, e os discos apagáveis (Magneto Optical Erasable Disk), regraváveis, que permitem inúmeras atualizações.
Unidades de fita magnéticas
A unidade de fita magnética é o dispositivo de alta velocidade que lê e grava fitas magnéticas. A fita magnética, geralmente acondicionada em cartuchos, é o meio de armazenamento de grande capacidade. Um rolo pode conter centenas de megabytes de dados. Elas são normalmente utilizadas para backups de discos rígidos, também pode ser utilizadas no processamento em que os dados tenham que ser acessados seqüencialmente, principalmente quando todo o arquivo ou grande parte dele tem que ser acessado. Seu uso é mais corrente junto a máquinas de porte médio ou grande.
Memória secundária como Memória principal
A memória secundária é muito mais barata, de maior capacidade, e ainda é permanente, ou seja, não apaga os dados quando o computador é desligado. Por que então esse tipo
Cache Primária – Layer 1
A cache nível 1 (L1) ou cache primária é a memória mais rápida de um PC. Ela é def fato construída diretamente no processador. Esta cache é muito pequena, geralmente de 9KB a 64KB, mas é extremamente rápida. Ela roda na mesma velocidade do processador. Se o processador solicita uma informação e pode encontrá-la na cache L1, este é o melhor caso, pois a informação é imediatamente disponível e o processador não tem que esperar. O processador Pentium III apresenta uma memória cache L1 de 16KB para instruções e outra de 16KB para dados.
Cache Secundária – Layer 2
A cache nível 2 é uma cache secundária para o nível 2, e é maior e um pouco mais lenta. Ela é usada para armazenar endereços recentes que não são mantidos pelo nível
- Este nível tem um tamanho variando de 64KB a 2MB e até pouco tempo atrás era encontrada na placa mãe ou um modulo que é inserido na placa mãe. Os processadores Pentium Pro tém a cache L2 no mesmo pacote do processador (embora este não esteja no mesmo circuito do processador e da cache L1). Isto significa que ela roda muito mais rápida que a cache L2 que é separada e reside na placa mãe. O Pentium II e III até 600MHz tém um meio termo, sua cache L2, de 512KB, roda na metade da velocidade da CPU. O Pentium III acima 600MHz apresenta uma memória cache L2 de 256KB no mesmo pacote e opera na mesma velocidade da CPU. O nível dois algumas vezes é chamada de cache externa, desde que ela reside fora do processador. Mesmo nos Pentium Pro, que está em um chip separado no mesmo pacote.
Cache Externas
As primeiras placas-mãe equipadas com SRAM apresentavam pequenas quantidades de cache, entre 8KB a 128KB. Com o 486, tornou-se mais comum que a placa-mãe tivesse 128KB a 512KB de cache. O Pentium geralmente tem 512KB a 1MB de cache. Até recentemente, os chips que formavam a SRAM eram modularizados em forma de chips DIP, mas atualmente, fabrica-se os módulos d o tipo COAST, semelhante ao SIMM, porém, eletronicamente diferentes.
Figura 20. Módulo COAST.
Figura 21. SRAM do tipo DIP: Praticamente, não se vê mais placas de CPU novas com memória cache do tipo DIP. As placas de CPU atuais incorporam os chip de SRAM na placa mãe, mas não do tipo DIP. Os chips são soldados e geralmente não há bancos vazios para a expansão. Com o módulos COAST, basta trocar o módulo. E com os chips VLSI da Intel, estes possuem a capacidade de detectar automaticamente o tipo de cache em uso, através do BIOS, dispensando a configuração manual, de forma que logo no processo de boot há essa identificação.
3.6 Barramentos
Um barramento, ou bus, nada mais é do que um caminho comum pelo qual os dados trafegam dentro do computador. Este caminho é usado para comunicações e pode ser estabelecido entre dois ou mais elementos do computador. O tamanho de um barramento é importante pois ele determina quantos dados podem ser transmitidos em uma única vez. Por exemplo, um barramento de 16 bits pode transmitir 16 bits de dado, e um barramento de 32 bits pode transmitir 32 bits de dados a cada vez. Todo barramento tem uma velocidade medida em MHz. Um barramento rápido permite transmitir dados rapidamente, que tornam as aplicações mais rápidas. Um PC tem muitos tipos de barramentos, que incluem: n Barramento do processador : é o barramento que o chipset usa para enviar/receber informações do processador. O chipset são os chips de suporte adjacentes contidos na placa mãe. n Barramento de Cache : usado pelos Pentium Pro e Pentium III, é um barramento dedicado para acessar o sistema cache. Ele é algumas vezes chamado de barramento backside. Processadores convencionais que usam placas mãe de quinta geração tem uma cache conectada ao barramento de memória padrão. n Barramento de memória : é um barramento que conecta o sub-sistema de memória ao chipset e ao processador. Em alguns sistemas o barramento do processador e o barramento de memória são basicamente a mesma coisa. n Barramento local de E/S (Entrada/Saída). É usado para conectar periféricos de alto desempenho à memória, chipset e processador. Por exemplo, placas de vídeo, interface de redes de alta velocidade geralmente usam um barramento deste tipo. Os dois tipos barramentos locais de E/S mais comuns são o VESA Local Bus (VLB) e o Peripheral Component Interconnect Bus (PCI). n Barramento padrão de E/S : conecta os três barramentos acima ao antigo barramento padrão de E/S, usado para periféricos lentos (modems, placas de som regulares, interfaces de rede de baixa velocidade) e também para compatibilidade com dispositivos antigos. O principal barramento padrão de E/S é o Industry Standard Architecture (ISA) bus. Nos PCs, o barramento ISA (antigo padrão) está sendo substituído por barramentos mais rápidos, como PCI. Geralmente, quando se ouve sobre o barramento de E/S, praticamente falamos de slots de expansão. Alguns novos PCs usam um “barramento” adicional projetado para comunicação de grafismos apenas. A palavra “barramento” foi colocada entre aspas pois esta tecnologia não se trata de um barramento, ela é um porto: o Accelerated Graphics Port (AGP). A diferença entre um porto e um barramento é que o barramento é geralmente projetado para vários dispositivos compartilhando um meio de comunicação, enquanto um porto é apenas entre dois dispositivos. Todos os barramentos tem duas partes: um barramento de endereçamento e um barramento de dados. O barramento de dados transfere o dado em si (por exemplo, o valor de memória) e o barramento de endereço transfere a informação de onde o dado se encontra.
3.6.1 Barramento do processador
O barramento do processador é o caminho de comunicação entre a CPU e o chipset. Este barramento é usado para transferir dados entre a CPU e o barramento principal do sistema (Figura 22). Pelo motivo de que o barramento do processador serve para conseguir informações para e da CPU à velocidade mais rápida possível, este barramento opera de forma muito mais rápida que qualquer outro tipo de barramento no computador. Não existem congestionamentos neste barramento. Este barramento consiste em circuitos elétricos de dados, endereçamento e controle. No processador 80486, o barramento consiste em
