HARDWARE [Wk;HPP;GH]

2. ARQUITECTURA DOS PC’S, MEMÓRIAS, PROCESSADORES e PERIFÉRICOS

2.1 – A Arquitectura dos PC´s

A Placa-mãe; A Placa-mãe; O microprocessador; O microprocessador; Memória Memória RAMRAM; Memória Cache; ; Memória Cache; IRQIRQ; ; ROM-BIOSROM-BIOS; ; Barramentos;Barramentos;Disco Rígido; Discos Amovíveis;Disco Rígido; Discos Amovíveis;Placas de Vídeo;Placas de Vídeo;A Caixa;A Caixa;

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A placa principal - motherboard (placa-mãe) [GH-1]

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A placa principal possui todos os componentes fundamentais para o funcionamento do computador, como, o microprocessador, memórias RAM e ROM, o BIOS, circuitos integrados especiais, os barramentos, e conectores de acessos externos que permitem ao processador comunicar com os restantes periféricos, como discos rígidos, placas gráficas, etc.

Os componentes na motherboard são interligados por diversas camadas (layers) de circuitos condutores de cobre, que são sobrepostas e coladas. Quanto maior o nº de camadas, melhor a placa. A disposição dos componentes na placa pode melhorar o funcionamento da placa-mãe (em geral melhores placas têm menores níveis de radiação e maior facilidade de acesso aos componentes quando montada na caixa)

A placa-mãe deve ser a principal preocupação para quem pretenda adquirir um computador, pois o seu barramento (Front side bus) é fundamental para o desempenho do computador e para a velocidade a que irá funcionar o processador, a memória e toda a informação que circula na mesma.

A placa principal (cont./1) [1]

>>>exercício1

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A placa principal [Wk] (cont./2) - componentes

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O Processador[Wk] [GH-2] [2]O Processador é o componente mais importante da

placa principal, e influencia decisivamente a ‘quantidade de trabalho’ executada pelo computador (i.e. o numero de aplicações informáticas em execução e a sua velocidade).

Apesar do processador (também designado CPU = Central Processor Unit) ser o componente mais importante do microcomputador (pois é ele quem processa quase todas as informações), ele não é necessariamente o maior responsável pelo desempenho geral do microcomputador. Na verdade (dependendo da aplicação à qual o computador se destina), o (bom/mau) desempenho do microprocessador pode ser menos importante que a quantidade de memória RAM, que o desempenho da placa de vídeo 3D, ou até mesmo que o desempenho do disco rígido. O Desempenho é função da velocidade do componente mais lento, durante a execução dos programas.

As características principais do processador são a sua velocidade de relógio (clock) máxima (notar que o processador usa o clock da placa-mãe), o seu tipo (CISC ou RISC), o nº de bits dos registos internos e do barramento de dados, a memória-cache, e a memória endereçável.

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Processadores da família INTEL [GH-3] [2]

(bits) maxima (microns) (Volts)# data internoexternoender cache(KB) vel processNº transistoresmem.ender.tec.fabricoV.int vel barramentoevolução na arquitectura4004 (1º microprocess.)1971 4 4 10 108kHz 2300 0,64MB8086 1978 16 8+8 20 8MHz 2900 1MB8088 1979 16 8 20 8MHz 2900 1MB80286 1982 16 16 24 20MHz 134000 16MB +multitarefa+modos real e protegido80386(DX) 1985 32 32 32 33MHz 275000 4GB +virtual8680386SX 1988 32 16 32 33MHz 275000 16MB80486 DX 1990 32 32 32 L1=8 50MHz 1,2 milhões 4GB +FPU80486DX2 1992 32 32 32 L1=8 66MHz 1,2 milhões 4GB +vel interna o dobro da externa80486DX4 1992 32 32 32 L1=8 120MHz 1,2 milhões 4GBpentium 1992 32 32 32 L1=16 200MHz 3,2 milhões 4GB +dual PipelinePentiumPro 1995 32 32 64L1=16;L2<=1MB 200MHz 5,5 milhões 64GB +tres Pipelines+novo metodo analisePentium II 1997 32 32 64 L1=32 445MHz 7,5 milhões 64GB +MMX+nucleo RISCPentium II Celeron 1998 32 64 64 L1=32;L2=128 500MHz 7,5 milhões 64GB 0,25Pentium II Xeon 1998 32 64 64L1=32;L2=2MB 550MHz 7,5 milhões 64GBPentium III 1999 32 64 64L1=32;L2=1MB 1GHz 9,5 milhões 64GB 0,25 2,2VPentium III Xeon 2000 32 64 64 L1=32;L2=512 1GHz 64GBPentium III E,EB,Tualatin2001 32 64 64 L2=256 1,26GHz 28,1 milhoes 0,18 1,6VPentium 4 2002 64 64 64 L1=20;L2=256 42 milhõesPentium 4 XD 2002 64 64 64 L2=2x1MB 3,2 GHz 0,09 800MHzPentium 4 D 64

bus dados

Mostra-se abaixo a evolução e características principais dos microprocessadores da INTEL:

>>>exercício2

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Memória[Wk] RAM [GH-7] [3]

RAM (Random Access Memory) = = Memória de acesso aleatório; As memórias RAM são dispositivos que permitem armazenar dados,

instruções e resultados de processamentos durante o funcionamento do computador; Comunicam directamente com o processador; A RAM está organizada em células e cada uma destas é uma unidade básica de armazenamento; A cada célula corresponde um número de endereço.

Os dados na RAM podem, a qualquer instante, ser apagados, escritos e lidos pelo processador; Quanto mais memória RAM o computador tiver, mais informações pode guardar, e em geral melhor é o seu desempenho.

Actualmente os tipos principais de memórias são: DIMM (168 contactos usadas desde Pentium II até ao Pentium 4), e as DDR (de 186 contactos que funcionam até 533MHz) que existem em versão DDR2 (trabalham ao dobro da velocidade das DDR).

>>>exercício3

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Memória Cache [Wk] [4]

O microprocessador é muito mais rápido que a memória RAM. Isso faz com que fique sub-utilizado quando necessita enviar muitos dados repetidamente, pois a RAM não consegue armazenar à mesma velocidade de envio do microprocessador;

Para melhorar o desempenho, foi então (a partir do 80486) inserida uma memória auxiliar rápida (sem estados de espera como a RAM), chamada memória CACHE de tipo SRAM (Static RAM), que tem por função antecipar as necessidades do microprocessador, armazenando dados com maior probabilidade de ser utilizada a seguir pelo processador.

Existem dois tipos de memória CACHE: a interna (embutida no microprocessador) e a externa.

Geralmente quanto maior a CACHE, melhor o desempenho do computador. Com a Memória CACHE, são assim eliminados os tempos de espera na recepção ou envio de dados do processador para a RAM, acelerando o processamento.

>>>exercício4

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IRQ(Interrupt ReQuest) – Interrupções [Wk] [5]

Os IRQ não são mais que circuitos que ajudam o processador a lidar com informação que é necessária ser processada em momentos não determinados (aleatórios), como são por exemplo sinais do teclados, dos discos, da placa de rede, etc.

Cada dispositivo (teclado, drives de discos ou disquetes, placas de rede, etc) possui um IRQ. Igualmente determinados circuitos electrónicos internos possuem IRQs próprios (Ex: System Timer, Real Time Clock, etc)

O microprocessador trata os IRQs com prioridades diferentes, dependendo da importância. Quando surge um IRQ o microprocessador pode parar a execução de um processo (pôr em espera), e atender de imediato ao dispositivo que envia a interrupção.

IRQ FunçãoIRQ 0 System TimerIRQ 1 Teclado

IRQ 2Controlador de interrupções

IRQ 3portas série 2 e 4 (COM2 e COM4)

IRQ 4 COM1 e COM3IRQ 5 dispositivo Audio

IRQ 6 Drive de disquetes

IRQ 7porta paralela (LPT1)

IRQ 8 Real Time ClockIRQ 9 Placa gráficaetc etc

>>>exercício5

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ROM-BIOS [Wk] [6]

A memória ROM (Read Only Memory) é uma memória só de leitura.

O BIOS (Basic Input Output System) é um conjunto de instruções (formando programas de sistema) inscritos em memória ROM, que no geral controlam o funcionamento de periféricos.

O BIOS proporciona aos programas de aplicação, um meio comum de activar funções (em periféricos), que são independentes do desenho do hardware da placa principal.

Existem empresas (independentes das fabricantes de motherboards), que desenvolvem BIOS em circuitos integrados próprios. Os primeiros BIOS eram guardadas em ROM, mas já existem BIOS inscritos em memória Flash que têm a vantagem de poderem ser actualizadas por software (faz-se download do site do fabricante), sem ser necessário trocar o circuito integrado.

>>>exercício6

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Slots de expansão e Arquitecturas de BUS [Wk] [7]

A comunicação de dados, instruções e sinais de controlo são feitas através de linhas de comunicação que se designam por barramentos (BUS). Na ‘arquitectura’ de um PC actual podem-se encontrar várias arquitecturas de barramentos, como sejam as ISA, MCA, EISA, PCI, PCMCIA, AGP, USB...

Numa motherboard existem ‘slots de expansão’ para barramentos padrão.

ISA (Industry Standard Architecture) é um BUS usado na comunicação entre periféricos. O barramento ISA possui 16 linhas de comunicação (16 bits), e consegue transferir informação à taxa de 8 Mbps (milhões de bits por segundo) (Mega milhões=1000000=10^6), à frequência de 8,25 MHz ( 8,25 milhões de Hz) (1Hz=1 ciclo por segundo)

MCA (Micro Channel Architecture) foi um barramento de 32 bits introduzido pela IBM, que não foi adoptado pela indústria.

EISA (Enhanced ISA) é uma melhoria do ISA. Funciona a 32 bits, transfere 33Mbps à frequência de 8,25 MHz. É compatível com o ISA.

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Slots de expansão e Arquitecturas de BUS (Cont./1) VESA (Vídeo Electronics Standard Association) foi criado para soluções

gráficas. Funciona a 32 bits, transfere 133/148 (133 ou 148) Mbps à frequência de 33/40 MHz (respectivamente). Foi um BUS muito usado inicialmente mas caiu em desuso após o aparecimento do PCI.

PCI (Peripheral Component Interconect) é o BUS mais usado actualmente. Funciona a 32/64 bits (conforme o componente inserido no slot), e transfere 132/264 Mbps à frequência de 33 MHz.

PCMCIA (Personal Computer Card Interface Adapter) é usado sobretudo em PC’s portáteis e transfere 384 kbps.

AGP (Accelerated Graphics Port) é um BUS criado especialmente para placas gráficas e gráficos 3D. Funciona a 32/64 bits, e transfere 533 Mbps à frequência de 66 MHz. Em motherboards recentes a velocidade de transferência destes barramentos pode ainda ser multiplicada por 2,4 e 8 (neste ultimo caso atingindo taxas de 4Gbps)

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Slots de expansão e Arquitecturas de BUS (Cont./2)

USB (Universal Serial Bus) foi criado como padrão único para ligações de (até 127) periféricos e é totalmente plug and play. Transfere 12Mbps (versão 1.1) ou 480 Mbps (ver.2.0) para periféricos mais rápidos (scanner, audio/video digital,...), ou 1,5Mbps para periféricos mais lentos (rato, ...).

AMR (Audio Modem Riser) é um BUS que junta as funções analógicas de I/O de som, com o ‘Audio Codec 97’ e um modem (uma motherboard com slot AMR já possui o modem integrado – também dito in-board). Este BUS nos portáteis tem como equivalente o MDC (Mobile Daughter Card).

FIREWIRE (ou norma IEEE 1394) é um BUS externo tal como o USB, mas transfere a uma velocidade maior: 400 Mbps.

PCI EXPRESS - tem vantagens de poder interligar várias placas e baixo consumo de energia. Transfere no mínimo 500 Mbps e pode atingir 8Gbps, com multiplicações até 16x.

>>>exercício7

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O Disco Rígido[Wk] [8]

Uma unidade de Disco rígido é composta por um conjunto de discos sobrepostos, cada um com uma ou duas superfí- cies de leitura/escrita, divididas em pistas numeradas e estas em sectores.

À soma de todas as pistas com o mesmo numero, de cada superfície, chama-se cilindro (um disco rígido conterá então tantas pistas quanto o numero de cilindros).

As cabeças (heads) de leitura/escrita acedem a qualquer parte do disco rigido efectuando as operações de leitura/escrita a altas velocidades (tipicamente da ordem das 10000 rpm). Actualmente são vulgares discos de 300GB ou mais, a preços relativamente baixos.

Todas as operações de um disco rígido são geridas por um sistema de controlo próprio (uma placa controladora) – cada disco possui uma placa.

Controladores: ST506 – usado nos 1ºs PCs e já abandonado. Funcionava a 5MHz com

taxas de transferência de 1Mbps. ESDI – com ligações iguais à do ST506. Funciona a 10MHz com taxas de

transferência de 5,2Mbps.

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O Disco Rígido (Cont. /1) - Controladores

IDE/DMA(Integrated Device Electronics/Direct Memory Access) – Pode ligar no máx. 2 discos, num interface de 40 pinos, e tem taxas de transferência de 4 Mbps. A IDE também é designada por ATA.

EIDE (Enhanced IDE) – melhoria do IDE, e a mais usada da actualidade. Suporta 4 ligações de discos até 200GB, com taxas de 16,6 Mbps.

IDE Ultra DMA – é um novo processo de transferência da dados ATA que será a norma IDE do futuro (motherboards futuras terão de suportar Ultra DMA). Possui melhorias de segurança na verificação da integridade de dados, e permite taxas de 33,3 Mbps.

SCSI (Small Computer System Interface) – possibilita que dispositivos SCSI possam comunicar entre si sem intervenção do processador. Usa barramento de 8 bits, e existem diversas variantes SCSI: SCSI-1 com taxas de 5 Mbps; SCSI-2 Wide com taxa de 10 Mbps; SCSI-2 Fast Wide com taxa de 20 Mbps; SCSI-2 Ultra Wide com taxa de 40 Mbps. Actual/ vários desenvolvimentos para barramento de 16 bits estão sendo desenvolvidos.

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O Disco Rígido (Cont. /2) - Cache do disco

S-ATA(Serial – Advanced Technology Attachment) – Suporta discos superiores a 200 MB. Possui um interface de 7 pinos, e tem taxas de transferência de 150 Mbps. Permite ligar o disco com o PC ligado e o S.O. em execução (hot-plugging). Algumas Características comuns são: Cache de 8MBytes, 7200 rpm, 8,5 ms de tempo de acesso à informação.

Após o surgimento desta nova tecnologia, a anterior IDE (também designada por ATA) passou a ser designada por Parallel ATA.

A Cache do Disco: A Cache do Disco têm uma função semelhante à cache usada nas Placas-

mãe, i.e., guardar a informação do disco que mais probabilidade tem de ser requisitada futuramente. Existe a Cache de Hardware, localizada na placa controladora do disco, com processador próprio, e Cache de software que é criada por software especial e não necessita de hardware dedicado, mas é mais lenta que a de hardware. O Buffer do Controlador é uma pequena porção de memória que serve para guardar todos os dados requisitados ou provisórios do processador do controlador.

>>>exercício8

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O Disco Rígido (Cont. /3) - tecnologia RAID [Wk]

O RAID (Redundat Arrays of Independent Disks) – é uma tecnologia de armazenamento com múltiplos discos, que oferece maior capacidade, alto desempenho, fiabilidade, e economia no armazenamento de dados on-line.

RAID 0 – a técnica DATA STRIPING consiste na segmentação da informação, onde o 1º segmento é escrito no 1º disco, o 2º segmento no 2º disco, etc. Esta técnica permite maior rapidez, mas não garante segurança da informação guardada.

RAID 1 – a técnica DATA MIRRORING consiste em dois discos a trabalhar simultaneamente onde um é o ‘espelho’ do outro (cópia do outro). A fiabilidade aqui é maior pois se o 1º falhar, o 2º disco garante a informação

RAID 2 – a técnica DATA STRIPING COM DETECÇÃO DE ERROS conjuga a técnica RAID 0 com serviços de detecção e correcção de erros.

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O Disco Rígido (Cont. /4) - tecnologia RAID

RAID 3 - a técnica DATA STRIPING COM ------- consiste na escrita da informação de um byte em cada disco, com estes acedidos ao mesmo tempo. Tem vantagem de rapidez de acesso, e desvantagem de só uma operação de I/O de cada vez. Esta técnica é boa para grandes ficheiros.

RAID 4 - a técnica DATA STRIPING COM DRIVE DE PARIDADE DEDICADO conjuga a técnica RAID 0 com um disco extra que contém informação de paridade, a ser usada para a detecção de erros. É mais lenta que a RAID 3, mas também permite mais acessos I/O simultâneos.

RAID 5 - a técnica DATA STRIPING COM PARIDADE DISTRIBUIDA permite acessos I/O a todos os discos independentemente (I/O diferentes).

RAID 10 - combina as técnica RAID 0 (performance) e RAID 1(segurança de dados). É uma técnica boa para sistemas com pouca capacidade de utilização mas com necessidade de segurança.

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Discos Amovíveis [Wk-1][Wk-2]

As unidades de armazenamento de massa (discos) amovíveis são normalmente unidades externas, existindo também unidades de disco internas amovíveis com discos rígidos IDE.

Discos externos magnéticos removíveis (vulgar/ disquetes) progrediram muito, sendo que hoje em dia praticamente só se comercializam drives de 3,5” a 1,44MB. Existem ainda disquetes de grande capacidade, a 120 MB (LS-120), 100MB e 250 MB (Zip Drives), 2GB (Jazz Drive), e 1.5 GB(Sylet).

Os discos magneto-ópticos existem disponíveis em 2.5”, 3.5”, e 51/4 “, com capacidades 128MB, 230MB, 640MB, 800MB (são os CD, CD-R, CD-RW) indo até 8.4GB (DVD-RW,...), e actualmente às centenas de GB(BLU-RAY)

Recentemente apareceram no mercado caixas onde se pode inserir um disco rígido IDE ou SATA, para arquivo de dados externo com capacidades de centenas de GB, que são interligadas via USB ou Fireware ao PC.

>>>exercício9

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A placa de Vídeo [Wk] [8]

A placa de vídeo (ou adaptador gráfico), é o dispositivo que nos permite visualizar as imagens no monitor. Como a maior parte dos monitores actuais ainda são analógicos, estas placas convertem os sinais digitais processados no PC, em analógicos da norma do monitor(ex. norma PAL).

As placas gráficas possuem uma memória própria (as Vídeo RAM) que variam de 512kB até 512MB. Quanto maior a memória, mais rápida e mais cores a placa é capaz de processar, para uma determinada resolução (resolução=numero de pixeis por area - do ecran).

PLACAS GRÀFICAS: MDA(Monocrome Display Adapter) – primeira placa lançada no inicio dos

anos 80 usada para monitores monocromáticos. CGA(Color Graphics Adapter) – com 16 cores, possuía 16 kB de memória

vídeo e permitia algumas resoluções.

HGA(Hercules GA) – monocromático, possuía 64 kB de memória vídeo. EGA(Enhanced GA) – permitia resoluções de 640x350 pixeis com 64 cores.

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A placa de Vídeo (Cont.)

VGA(Vídeo Graphics Array) – permitia resoluções de 640x480 pixeis com 256 cores, e possuía memória de 256kB. O padrão actual é o SVGA, com resoluções inicialmente 1024x768, mas agora superiores a partir de maiores capacidades de memória (basicamente com a mesma tecnologia embora existam outra designações, como XGA, WXGA,...)

Para VGA ou SVGA com 16 cores, são necessários 256kB de memória VRAM, mas para 256 cores na resolução 1024x768 será necessário 1MB, e assim sucessivamente. Os adaptadores VGA básicos necessitam de 4 bits por pixel para representar 16 cores(2x2x2x2=2^4=16), 8 bits(=1 byte) para 256 cores(2^8=256), ..., e 24 bits para 16,7 milhões de cores (2^24=16,78 milhões) ou 3 bytes por pixel (24bits=3x8bits=3bytes).

Já existem a bom preço placas de vídeo digital, que usam um socket de 24 pinos (HDI), e que permitem altas resoluções (ex. 2048x1536) suportadas por monitores digitais TFT.

Uma resolução também muito em voga é a 1366x768, específica da HDTV (televisão digital). Esta também possui também um socket próprio (HDMI).

>>>exercício10

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A Caixa [Wk] [9]

A Caixa do computador serve como chassis que suporta todas as peças. Apesar de grandes fabricantes criarem caixas próprias, cada vez mais possuem dimensões normalizadas em AT e ATX em vários tipos (mini-AT=[6”x9”x16,5”]; tipo~A7=[6”x21”x16,5”]; ~Torre[6”x24”x17”]; ...)

A escolha de caixas normalizadas é vantajosa na troca de componentes (ex. fontes de Alimentação, unidades de disquetes, discos, etc) a preços competitivos, por existirem disponíveis normalizados de vários fabricantes.

A caixa ATX foi uma evolução da AT com vista à facilidade de utilização, melhor suporte a I/O actuais e futuros, melhor suporte a processadores actuais e futuros, e redução no preço total do sistema.

A disposição dos componentes na caixa ATX visa facilidade de acesso aos componentes, diminuição de ruído e de custos de refrigeração.

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A Caixa - (Cont.) - ATX

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A Caixa (Cont.) – fonte de alimentação A fonte de alimentação converte a corrente eléctrica alternada da rede (em

Portugal 230 VAC), em correntes contínuas necessárias para os diversos componentes (±12, ±5, ±3,3 VDC).

As fontes de Alimentação devem ser escolhidas consoante a caixa, e consoante a potência necessária e previsível no futuro. Normalmente potências entre 200 e 300W para um PC são suficientes . A potência (Potência[W]=Tensão[230V] x Corrente[A]) que a fonte fornece deve ser superior à soma das potências necessárias de todos os componentes. As fontes geralmente possuem ventoinhas embutidas para dissipar calor.

A fonte de alimentação só garante a energia necessária ao PC, enquanto houver energia da rede. Muitas vezes é importante não perder a informação (e muito tempo de trabalho) por falha de energia. A solução é então alimentar o PC através de uma UPS (Uninterruptible Power Supply).

Uma UPS de determinada potência garante a alimentação de componentes eléctricos a essa potência durante certo tempo. (por ex. Uma UPS de 1000W garante 10 minutos à carga máxima! Se só alimenta um PC de 200W de potência, na falha de energia, o PC fica alimentado 50 minutos).

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Referências

Bibliografias e Links a páginas consultadas•[HPP] Gouveia J., Magalhães A.; “Hardware, PC’s e Periféricos – curso

completo”; F.C.A.; Março 2006; ISBN-13: 978-972-722-535-4;•[GH-] ‘O Guia do Hardware’ -

http://www.guiadohardware.net/livros/hardware/; Abril 2006;•[Wk-] ‘Wikipedia’ - http://pt.wikipedia.org/wiki/; Abril 2006;

Referências detalhadas[01] [HPP] cap.1; pags 01-02; [02] [HPP] cap.1; pags 02-09;[03] [HPP] cap.1; pag. 09;[04] [HPP] cap.1; pag. 10;[05] [HPP] cap.1; pag. 11;[06] [HPP] cap.1; pag. 12; [07] [HPP] cap.1; pags 12-18;[08] [HPP] cap.1; pags 18-29;[09] [HPP] cap.1; pags 33-35;[10] [HPP] cap.1; pags 29-33; Feedback da sU/E