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2022 Tales Ferreira da Costa Informática para Concursos 8ª edição revista, atualizada ampliada Capítulo 2 HARDWARE 1. CPU – PROCESSADOR CENTRAL A UCP (CPU, do inglês, Central Processing Unity) é um conjunto altamente amplo e complexo de circuitos eletrônicos que executam instruções armazenadas de um programa, convertendo entrada de da- dos em saída de informação. O termo CPU é muitas vezes atribuído erroneamente ao gabinete do computador. Veja, CPU é o processador (Central Processing Unit) e gabinete é invólucro, caixa que abriga os componentes internos do computador, como a placa-mãe, as placas de expansão, memória, fonte etc., inclusive o processador (CPU). Uma CPU, ou processador, em um único chip chama-se micropro- cessador que também pode ser chamado de chip lógico, quando é usado para controlar dispositivos especializados. Os microprocessadores contêm milhões de minúsculos transisto- res, que são comutadores eletrônicos, que podem permitir ou não a passagem de corrente elétrica, uma espécie de chave. INFORMÁTICA PARA CONCURSOS • Tales Ferreira da Costa32 Há duas arquiteturas aplicadas aos processadores, a CISC e a ar- quitetura RISC: A arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computing, traduzin- do: Computador com um Conjunto Complexo de Instruções), usada em processadores Intel e AMD, possui um grande conjunto de instru- ções que são armazenadas em uma pequena memória não volátil in- terna do processador. Já a arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computing, ou tradu- zindo, Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções) usada em processadores PowerPC (da Apple, Motorola e IBM) e SPARC (SUN), possui um conjunto pequeno de instruções implementadas diretamen- te em hardware da CPU. Nesta técnica não é necessário realizar a leitura em uma memória e, por isso, a execução das instruções é muito rápida. Por outro lado, as instruções são muito simples e para a realização de certas tarefas são necessárias mais instruções que neste padrão RISC. A CPU consiste em duas partes básicas: a unidade de controle e a unidade lógica e aritmética. UCP – Unidade Central de Processamento UC - Unidade de Controle ULA – Unidade Aritmética A unidade de controle (UC) coordena a execução das instruções de programas comunicando-se com a unidade lógica e aritmética e a memória (componentes estes do sistema, que de fato executam o pro- grama). A unidade lógica e aritmética (ULA): A unidade lógica e aritmé- tica contém os circuitos eletrônicos que executam todas as operações lógicas e aritméticas, podendo realizar os quatro tipos de operações: adição, subtração, multiplicação e divisão, como também, executam operações lógicas ou comparações. Além das unidades da CPU, é importantíssimo o conhecimento sobre clock, que basicamente define a velocidade de um processador. 1.1. Clock O Clock, do inglês relógio, é o “ritmo” que o processador trabalha, ou seja, a frequência com que ele lê as instruções. O clock é usando em circuitos eletrônicos síncronos (sincronizados) para sincronizar 33Cap. 2 • HARDWARE as operações de dois ou mais dispositivos. Quando os dispositivos do computador recebem um sinal para executar suas atividades, chama-se este sinal de “pulso de clock”. Em cada pulso, os dispositivos executam suas tarefas, param e aguardam o próximo ciclo de clock. A unidade de medida do clock é hertz (Hz), que é a unidade padrão de medidas de frequência, a qual indica o número de oscilações ou ciclos que ocorrem dentro de um determinado espaço de tempo. Assim, se um processa- dor trabalha a uma frequência de clock de 1MHz, por exemplo, significa que ele é capaz de processar 1 milhão (1M, “M” de mega = 106) ciclos de clock por segundo, já que espaço de tempo padrão é o segundo. Por- tanto, quanto maior o clock, menor o tempo de execução e, assim, mais rápido será o processador. Contudo, outros fatores são determinantes na efetiva velocidade de um processador como, por exemplo, a quanti- dade de memória cache (memória interna do processador), a quanti- dade de núcleos, o barramento, sua tecnologia etc. CLOCK C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 Ciclo máquina M1 M2 M3 (busca do código de operação) (leitura da memória Ciclo de instrução) (escrita na memória) TEMPO segundo 2 us O aumento do clock, chamado de overclock, é uma técnica utilizada para elevar o clock nominal do processador, como também de outros componentes como memórias, placas de vídeo e placa-mãe. Alguns processadores têm seu clock especificado pelo fabricante abaixo de sua capacidade total, para evitar riscos de danos ao componente, mas, permitem que esse clock seja redefinido. Overclock consiste em fazer com que o processador trabalhe acima da velocidade especificada pelo fabricante, a fim de conseguir um melhor desempenho. Entretanto, quanto maior o clock maior a energia empregada e, portanto, maior a dissipação de calor. Sendo assim, o aumento do clock tem efeito con- trário na refrigeração, ou seja, aquece o sistema. E mais, podem ser causados danos aos componentes, inclusive chegando a inutilizá-los. INFORMÁTICA PARA CONCURSOS • Tales Ferreira da Costa34 Por conta do excesso de aquecimento gerado do incremento cons- tante da frequência do clock dos processadores, durante sua evolução pelos tempos, apareceram limitações na evolução do desempenho destes chips, se considerarmos apenas o aumento de frequência. Foi criada, então, uma nova forma de tratar o processamento: a imple- mentação de mais de um núcleo nos processadores, a exemplo do nú- cleo duplo que chegou ao mercado em 2006. Os chips de núcleo duplo, como a linha Duo Core da Intel e X2 da AMD, possuem dois núcleos ativos de processamento, ao contrário do único núcleo como acontece em chips convencionais. Com mais de um núcleo (multicore ou mul- tinúcleo), o processador divide as funções de controle entre os seus núcleos, trabalhando assim com frequências mais baixas, melhorando muito o acesso à memória RAM do computador. Já temos, atualmente, chips de oito núcleos, incrementado ainda mais a capacidade de pro- cessamento. \ ATENÇÃO Em processadores de múltiplos núcleos, o sistema operacional trata cada um desses núcleos como um processador diferente. Os dois núcleos não somam a capacidade de processamento, mas dividem as tarefas entre si. A maioria dos processadores multicore possui, cada um, seu pró- prio cache e pode processar várias instruções simultaneamente, defi- nitivamente com se tivéssemos dois processadores separados. \ ATENÇÃO Mas, afinal, existe diferença entre Duo Core e Core dois Duo? Veja: dual core é qualquer processador que tenha dois núcleos, já Core 2 Duo é uma marca patenteada de proces- sadores do fabricante Intel. Desta forma, Core 2 Duo não pode ser utilizado por outros fabricantes como a AMD. Vale lembrar que os processadores Core não recebem mais a nomenclatura Pentium e que hoje já temos processadores de oito núcleos no mercado e previsão para lançamento de 32 núcleos. 1.1.1. Clock interno O clock interno é a forma de indicar o número de instruções que um processador é capaz de processar em um intervalo de um segun- do. A medida desta grandeza é o Hertz (Hz). O clock interno é obtido através de um multiplicador do clock externo, por exemplo, se o clock externo for de 133 MHz, e o processador operar com um multiplicador de 6x, o processador terá um clock interno de 800MHz (aproximada- mente 133 x 6). 35Cap. 2 • HARDWARE 1.1.2. Clock externo Já o clock externo, também conhecido como Front Side Bus (FSB), ou barramento frontal em português, é o indicador da frequência do barramento externo de comunicação entre o processador e a placa- -mãe, demais componentes e, principalmente, a memória. Temos, ainda no processador, algumas memórias, que irão ser tra- tadas mais a seguir, a saber: REGISTRADORES e memórias de cache. 1.1.3. Unidade de ponto Flutuante Todo processador moderno possui, no seu interior, uma unidade de ponto flutuante (FPU – FloatingPoint Unit). A sua finalidade é a execução de operações matemáticas complexas, necessárias ao pro- cessamento científico e de engenharia, na geração de imagens tridi- mensionais e para jogos. É importante destacar que a Intel adota como nomenclatura para o clock interno apenas com “clock” e o externo de “barramento frontal”. Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium 4 Celeron D Core i7 Core i3 Atom Celeron (Deschutes) Celeron (Northwood) Core 2 Duo Pentium MMX Core i5 Pentium III Celeron (Coopermine) Pentium D Pentium E/ Celeron Core 2 Quad K5 K6 K6-2 Athlon (Thunderbird) Duron (Spitfire) Duron (Morgan) Sempron (32 bits) Sempron Phenon (X4 e X3) Phenon II (X4, X3 e X2) Athlon 64 Athlon FX Athlon II X2 / X4 Athlon X2 (7xx) K6-3 Athlon X2 Athlon (K7) Athlon XP EVOLUÇÃO INFORMÁTICA PARA CONCURSOS • Tales Ferreira da Costa36 2. COOLER Os coolers são componentes com a finalidade de ajudar na refrige- ração dos microchips e outros componentes. Eles são compostos por um ventilador instalado sobre um dissipador de calor (peça, geral- mente de alumínio, instalada diretamente em contato com o proces- sador - CPU). Também são comumente instalados sobre o dissipador de calor de outros microprocessadores, como os das placas de vídeos. Não é incomum encontrarmos o nome cooler relacionado apenas à ventoinha (ventilador). Coolers (ventoinhas) também são largamente utilizados em outras partes do computador, como na refrigeração interna do gabinete e em diversos outros equipamentos, como equipamentos de rede (switches, racks etc.), equipamentos de telecomunicação entre muitos outros. 37Cap. 2 • HARDWARE 3. MEMÓRIAS Memória pode ser definida como todo local no computador em que é possível armazenar informações. Memória também pode ser definida como a parte do compu- tador que mantém dados e instruções por tempo indeterminado ou temporariamente, antes e depois de serem processadas pela CPU. Para que o processador possa executar suas tarefas, ele troca dados com a memória, salva e busca informações para o processamento. Há, basicamente, dois tipos de memória no computador: Memó- ria principal e memória secundária. Contudo, não é incomum encontramos, ainda, a denominação de memória terciária. A diferença está no fato de que memória secundá- ria não necessita de operações de montagem (inserção de uma mídia ou em um dispositivo de leitura e gravação), ao passo que a memória terciária depende das operações de montagem, como discos ópticos, pen drives, fitas magnéticas etc. A memória principal é a memória que o processador precisa acessar para enviar os dados, armazenando os dados temporaria- mente, acessadas diretamente pelo processador, com alta velocidade e desempenho. A memória principal pode ser subdividida em RAM (Random Access Memory, ou memória de acesso randômico) e a ROM (Ready Only Memory, memória somente de leitura). A RAM é uma me- mória volátil e ROM é do tipo não volátil. \ ATENÇÃO Memórias voláteis e não voláteis são conceitos muito importantes. Memórias volá- teis são as que requerem energia para manter a informação armazenada. Já as memó- rias não voláteis guardam e mantêm as informações mesmo sem alimentação. A “memória secundária” (memória de massa) é a parte do com- putador onde são armazenados os dados que não podem ser perdidos com o desligamento do sistema (HD´s, CD´s etc.), ou seja, são não volá- teis, armazenando os dados de forma permanente. Além das memórias citadas anteriormente, também abordaremos os registradores e a memória Cache. INFORMÁTICA PARA CONCURSOS • Tales Ferreira da Costa38 3.1. Memória RAM ou Memória Principal Memória principal é a parte do computador que mantém dados e instruções temporariamente, antes e depois de serem processadas pela unidade lógica e aritmética. A memória RAM (Random Access Memory) é a memória mais im- portante do computador, são os módulos de memória que são encaixa- dos na placa-mãe, também chamados de “pentes” de memória. É para a memória RAM que são transferidos os programas (ou parte deles) e os dados que estão sendo trabalhados pelo processador. Este tipo de me- mória permite tanto a leitura como a gravação e a regravação de dados. No entanto, assim que os módulos deixam de ser alimentados eletrica- mente, ou seja, quando o computador é desligado, a memória RAM é apagada. Assim, a memória RAM é uma memória temporária, vo- látil. Daí vem a necessidade de salvar o resultado do processamento no disco rígido antes de desligá-lo (memória secundária). A razão da existência e importância da memória RAM está na sua velocidade de leitura dos dados, que é muito superior ao dos discos rígidos. 39Cap. 2 • HARDWARE Todos os dados processados pelo computador são, em algum mo- mento, ou por algum momento, armazenado em algum tipo de me- mória, seja ela uma memória volátil (RAM) , que se apaga ao desligar o computador, ou outro tipo de memória, como o HD, que é uma memória de armazenamento em massa. Qualquer que seja a in- formação, seja ela uma foto ou uma letra que você digita em seu tecla- do para escrever em um documento de texto, será gravada em algum tipo de memória. A memória principal, também chamada de memória real, é a me- mória RAM do computador, aquela que pode ser identificada e verifi- cada se clicarmos com o botão direito do mouse sobre o ícone “Meu Computador”, em seguida em propriedade, aba “Geral”, ou acessarmos o painel de controle, item Sistema, guia “Geral”. Sem a memória princi- pal o computador não funciona. A memória RAM é um componente essencial, não apenas nos computadores pessoais (PC), mas para qualquer computador. Por maior que seja a capacidade dos discos rígidos e das memórias flash, é sempre necessária memória RAM e quanto maior a capacidade da RAM melhor. Os chips de memória RAM utilizam em sua fabricação a tecnologia de chips semicondutores, que têm as seguintes vantagens: confiabi- lidade, tamanho reduzido, baixo custo e menor consumo de energia. A memória semicondutora é volátil, requer corrente elétrica con- tínua para representar dados, se essa corrente for interrompida, os dados serão perdidos. Um chip é considerado monolítico porque todos os circuitos de um único chip, em conjunto, constituem uma unidade de armazena- mento inseparável. Uma das principais tecnologias utilizada nestes chips é a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Existem hoje basicamente dois tipos de tecnologias empregadas em memórias RAM: SDR, SDRAM e DDR-SDRAM. As SDR´s são as mais antigas, evoluindo para a SDRAM, As SDRAM´s (Synchrous Dy- namic RAM) são memória RAM capazes de trabalhar sincronizadas com os ciclos da placa-mãe, sem tempos de espera. Isto significa que a temporização de uma memória SDRAM é sempre de uma leitura por INFORMÁTICA PARA CONCURSOS • Tales Ferreira da Costa40 ciclo. Ou seja, o controlador de memória realiza apenas uma leitura por ciclo, enquanto as DDR são mais rápidas, pois fazem duas leituras por ciclo (pulso de clock). Como você já deve ter imaginado, a tecnolo- gia DDR é a mais usada atualmente. Mais recentemente, temos a evolução da DDR-SDRAM (Double Date Rate ou Taxa de Transferência Dobrada) para a DDR2. Neles, o barramento de acesso à memória trabalha ao dobro da frequência dos chips de memória propriamente ditos. Isso permite que sejam reali- zadas duas operações de leitura por ciclo, acessando dois endereços diferentes. Como a capacidade de realizar duas transferências por ci- clo introduzida nas memórias DDR foi preservada, as memórias DDR2 são capazes de realizar um total de 4 operações de leitura por ciclo, uma marca impressionante. Existem, ainda, outras melhorias, como o menor consumo elétrico, muito importante para o uso em notebooks. E, mais recentemente, temos as DDR3. Há, ainda, outros tipos de memórias RAM, que não são, ou pratica- mente não são mais utilizadas: • SIPP (Single In-Line Pin Package): é o formato que deu origem ao termo “pente de memória”.É muito antigo, sendo utilizado nos arcaicos 386 e alguns 286; • FPM (Fast Page Mode): utilizada na maioria dos antigos 486; • EDO (Extended Data Out): utilizada em na época dos 486 e Pen- tium; • QDR-SDRAM: idênticas às DDR, mas transmitem quatro lotes de dados. É o caso da memória conhecida como RAMBUS; • SIMM (Single In-Line Memory Module); • DIMM (Dual In-Line Memory); • RIMM (Rambus In-Line Memory). \ ATENÇÃO Um pequeno detalhe a ser observado é a incompatibilidade entre as tecnologias, cada qual deve ser utilizada em placas mães que sejam desenvolvidas para a respectiva tec- nologia, seja DDR ou DDR2. Há de se dizer que mesmo os slots para o encaixe dos pen- tes de memórias são diferentes, impossibilitando o erro ao tentar encaixar um pente de memória diferente do aceito pela placa-mãe. 41Cap. 2 • HARDWARE Algumas literaturas listam a memória ROM, a memória Cache e os registradores como partes da memória principal. 3.2. Memória ROM A memória ROM (Ready Only Memory ou, em português, memó- ria somente de leitura) é uma memória que, conceitualmente, pode apenas ser lida. Nela, o fabricante salva instruções que não deverão ser alteradas, a exemplo do BIOS, que contém as instruções básicas para a inicialização do computador. Outro tipo de memória ROM é o CD-ROM (não confunda com CD-RW, este pode ser gravado e regrava- do). A memória ROM é uma memória não volátil. 3.3. Memória cache Memória cache é uma memória de acesso ultrarrápido, que foi criada para que o processador não fique aguardando dados da memó- ria principal (mais lenta), já que estas não acompanharam a evolução e custos dos processadores. Na memória cache são salvas as instruções utilizadas com mais frequência pelo processador. Temos dois tipos de cache: cache primário (ou cache L1) e cache secundário (ou cache L2, de level 2). O cache primário é embutido no próprio processador e sua velocidade acompanha a do processador. Ainda é possível temos caches L3 e L4 em diante. No processador há o cache primário (ou cache L1 de Level 1, ou ainda, cache interno) e o cache secundário (cache L2, de Level 2, ou cache externo). O cache primário é embutido no próprio processador. A memória cache é desenvolvida com o propósito específico de ace- lerar a transferência de dados e instruções do software. Os dados e instruções armazenados na memória cache são aqueles usados mais recentemente ou usados com mais frequência. A memória cache L1 é uma pequena quantidade de memória em- butida no processador. Notadamente de tecnologia que permite a lei- tura, escrita e transferências de dados em altíssima velocidade. Ainda temos o cache L2, que usa tecnologia SRAM, mais barata e mais lenta do que L1. Como cache L1 não se mostrava suficiente, sur- giu uma memória cache fora do processador, o cache L2. Nos microprocessadores atuais, a cache L2 foi incorporada ao chip processador para assegurar um acesso ainda mais rápido. Os sistemas que usam esse tipo de cache dispõem de um terceiro nível de cache INFORMÁTICA PARA CONCURSOS • Tales Ferreira da Costa42 (L3) em um chip separado. As terminologias L1 e L2 estão perdendo o sentido. 3.4. Memória virtual Memória virtual é uma área reservada na memória secundária (disco rígido, SSD etc.) para quando for necessário exceder o limite da memória principal, ou seja, quando a RAM ficar cheia e ser necessário estender a quantidade de memória para dados temporários utiliza- dos pelos aplicativos em execução. Diga-se de passagem, a memória virtual só é usada em casos extremos, ou casos que o algoritmo da CPU determinar necessário, pois seu tempo de acesso é muitas vezes superior ao da memória principal, o que limita em muito a velocidade de processamento da CPU, obviamente deixando o computador muito lento. No Windows, esta área é chamada de arquivo de paginação. A memória virtual possui três funções principais: 1. Paginação ou troca (swapping): permite que um programa utilize mais memória do que a física existente; 2. Realocação (recolocação): assegura que cada processo (ins- tância de um programa) tenha sua própria reserva de endere- çamento; 3. Proteção: garante que um processo não use um endereço de memória de outro processo. O arquivo de paginação (Pagefile.sys) é um arquivo oculto (e de sistema) no disco rígido do computador, que o Windows usa como se fosse parte da memória RAM. O arquivo de paginação e a memória física (RAM) formam o conceito de memória virtual, disponibili- zada pelo sistema operacional aos programas. A maioria das lite- raturas chamam o próprio arquivo de paginação de memória virtual. Por padrão, o Windows armazena o arquivo de paginação na partição de inicialização (partição que contém o sistema operacional). O tama- nho padrão do arquivo de paginação é 1,5 vezes o tamanho da RAM. No entanto, o Windows permite que seja alterado onde o arquivo é salvo e como ele é salvo, visando uma melhora de desempenho, ou atender necessidades peculiares de cada usuário. Para tanto, acesse a janela “Propriedades do sistema” (ícone sistema do painel de con- trole, ou botão direito do mouse sobre meu computador e, na lista 43Cap. 2 • HARDWARE apresentada, em propriedades), vá à guia Avançado, em desempenho, clique no botão “Configurações” e na janela “Opções de desempenho” que será aberta, acesse a aba Avançado e clique em Alterar: Os processos no Windows utilizam o Virtual Memory Concept que, traduzindo ao pé da letra, quer dizer “Conceito de Memória Virtual”. A menor unidade de alocação no Sistema Operacional Windows é uma página de memória, com tamanho de 4KB. 3.5. Memória de vídeo É uma memória onde são armazenados os dados que serão exibidos pelos monitores de vídeo. Quanto maior a qualidade da imagem a ser exibida maior deve ser a quantidade de memória de vídeo para exibi-la. Essa memória geralmente fica localizada na placa de vídeo, já em placas onboard, ou seja, quando o chip gráfico se localiza na placa-mãe, a me- mória de vídeo fica diretamente na placa-mãe ou mesmo são alocações da própria memória RAM (memória compartilhada), o que diminui o desempenho do computador, principalmente o desempenho gráfico. 3.6. Registradores Um registrador, ou acumulador é um tipo de memória muito rápi- da (e cara), interna ao processador (faz parte dele), onde ficam salvos os INFORMÁTICA PARA CONCURSOS • Tales Ferreira da Costa44 dados vindos da memória (RAM, cache etc.) e, de fato, se considerarmos a ordem onde o processador salvo os dados, ele está no topo. Nos demais tipos de armazenamento (secundários) não existe ordem, fica a cargo do usuário. Portanto, as memórias mais rápidas de um computador são, na ordem, os registradores, a memória cache, memória RAM, ROM. 4. O BIOS O BIOS (Basic Input/Output System) é um programa onde são en- contradas as informações básicas para que o sistema entre em fun- cionamento, um firmware. Ele executa, também na inicialização, uma série de rotinas, chamadas de POST, que testam os itens básicos do sistema como a memória, placa de vídeo, teclado etc. O BIOS é feito sob medida para sua placa-mãe e chipset. \ ATENÇÃO Em computação, firmware é o conjunto de instruções programadas diretamente no har- dware de um equipamento eletrônico, um sistema que controla as operações básicas do equipamento, seja ele um computador ou mesmo uma calculadora. Conceitualmente, esse software é armazenado de forma permanente no circuito integrado, contudo, com as novas tecnologias, muitos desdestes firmwares podem ser facilmente atualizados. E é através do SETUP, um programa de interface gráfica, que podem ser realizadas alterações de configuração em alguns itens do BIOS, ou seja, modificações de detalhes da configuração de hardware. O setup pode ser acessado no começo da inicialização do computador, geralmente pressionando a tecla “F12” ou “Delete”. O BIOS é gravado em um chip da placa-mãe (motherboard), geral- mente um chip de tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Se- miconductor).Como são relativamente poucas informações, a gravação neste chip CMOS geralmente não passa de 128 bytes. O CMOS também é um tipo de memória RAM e assim como a memória RAM principal, ele é volátil, de forma que as configurações são perdidas quando a alimen- tação elétrica é interrompida. Por isso, as placas-mães incluem uma ba- teria, que mantém as configurações quando o computador é desligado. Há também BIOS gravadas em EPROM´s, EEPROM´s ou FLASH, que não se perdem na falta de energia, pois os dados são gravados de forma definitiva. Essa tecnologia dos chips CMOS utilizados no BIOS, EPROM, abreviatura do termo em inglês Erasable Programmable Re- ad-only Memory, traduzindo: Memória Programável Apagável, pode ser gravada e regravada utilizando-se equipamentos específicos, mas