ARQUITECTURA DE UM SISTEMA PC
AUTORES: FERNANDO ALVES
LILIANA CASTRO
CURSO: EI1 PÓS LABORAL
NOVEMBRO 2003
INDÍCE
1. Introdução ................................................................................................................................ 3
2. Placa principal - Motherboard................................................................................................ 4
2.1. Famílias de Motherboard ................................................................................................. 4
2.2. Componentes constituintes ............................................................................................ 6
3. O Processador ......................................................................................................................... 7
3.1. Funcionamento do Processador..................................................................................... 8
3.2. Cronologia do processador............................................................................................. 9
3.4. Características dos Processadores................................................................................ 9
3.4.1. Barramentos................................................................................................................. 9
3.4.2. Registos Internos ....................................................................................................... 10
3.4.3.Unidade de Interface de Barramentos ........................................................................ 10
3.4.4. Unidade de Controlo .................................................................................................. 10
3.4.5. Coprocessador Matemático ....................................................................................... 10
3.4.6. A Unidade Aritmética e Lógica................................................................................... 10
3.4.7. A velocidade do Processador .................................................................................... 11
3.4.7.1. Overclocking........................................................................................................ 11
3.4.8. O sistema da Cache................................................................................................... 11
4. Memória.................................................................................................................................. 12
4.1. Memória RAM .................................................................................................................. 13
4.2. Memória DRAM ............................................................................................................... 13
BIBLIOGRAFIA........................................................................................................................... 14
Arquitectura de um sistema PC
1. Introdução
O elemento mais importante de um computador é a motherboard. Para que os outros
componentes periféricos funcionem, é necessário que estejam integrados a este circuito, razão
pela qual o seu nome significa "placa-mãe".
Este componente divide-se em quatro áreas principais, com funcionalidades estreitamente
ligadas.
•
O objectivo do computador é a execução de uma série de tarefas (ou programa). Para
o conseguir, é necessária a existência de uma unidade central de processamento (CPU
ou processador) que acumula a gerência da organização interna do computador com
o objectivo para que o mesmo está a ser utilizado. Para isso, é necessário que este
componente seja capaz de ler e escrever informação na memória principal do
computador, onde se encontram as instruções e os dados associados, reconhecer e
executar séries de instruções de um ou vários programas, e saber como as transmitir
aos outros componentes.
•
É neste importante componente de armazenamento local de acesso rápido que o
processador vai encontrar todos os dados e instruções associadas à tarefa que está a
executar. Da mesma maneira do que memória humana, este componente permite o
armazenamento da informação, quer a nível temporário (durante todo o período de
processamento) ou definitivo.
•
A arquitectura do bus de um computador é o modo como todos os componentes da
motherboard estão interligados, ou seja, o principal caminho por onde toda a
informação passa de e para todos os dispositivos periféricos.
•
A maioria dos componentes que integra o computador estão implementados
directamente na motherboard. Por vezes, é necessária ligação de outros dispositivos
(ex.: placa gráfica, placa de som) ao sistema para que possam trabalhar com os outros
componentes. Esta ligação é feita através da introdução do circuitos integrados dos
dispositivos em questão em slots de expansão localizados sobre a motherboard.
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2. Placa principal - Motherboard
A motherboard é a peça central do PC. Todas as outras placas, periféricos e componentes
estão ligados a ela, e eis, por isso, a origem do nome. O rápido desenvolvimento das
motherboards em muito se deve à rápida evolução dos processadores e da proliferação de
novas normas.
2.1. Famílias de Motherboard
É possível classificar as motherboards em duas grandes famílias: AT e ATX. Na família AT,
mais antiga (em produção desde 1983 até 1996 ), podem-se encontrar motherboards de
diversos tamanhos, estando mais divulgadas as mais pequena, designadas por baby AT, por
oposição ao formato Full-size AT. Tipicamente estes formatos utilizam o mesmo tipo de caixa.
Organização típica de uma motherboard AT
As placas ATX (especificação desenvolvida pela Intel, em 1996) representam uma natural
evolução relativamente às anteriores, sendo totalmente incompatíveis ao nível da caixa. As
principais inovações podem ser resumidas do seguinte modo:
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•
conectores das diversas portas de I/O integrados na motherboard, o
que evita a instalação de cabos, aumentado assim a fiabilidade;
•
fonte de alimentação liga através de um único conector, que apenas
encaixa num posição (potencial fonte de erros nas placas AT!);
•
a posição da CPU e dos conectores de memória facilita o seu
manuseamento e promove a capacidade de refrigeração, uma vez que
se encontram estrategicamente próximos das ventoinhas da fonte;
•
os conectores das unidades de disco estão mais próximos dos espaços
reservados para a sua instalação; e
•
inversão do fluxo de ar (objecto de recomendação, mas que está a ser
assumido como norma). O ar forçado para refrigeração - proveniente
das ventoinhas da fonte de alimentação - deverá ser "soprado" para
dentro da caixa, o que evita que o computador funcione como um
"aspirador".
Organização típica de uma motherboard ATX
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À semelhança do que aconteceu com o formato AT, a Intel também especificou uma versão
reduzida da placa ATX, a MicroATX, apenas de dimensões mais reduzidas, mas fisicamente
compatível com uma ATX. Assim como, para sistema de perfil baixo, seguindo uma filosofia
idêntica à utilizada nas placas LPX, surgiu recentemente o formato NLX, que poderá, a curto
prazo, constituir a preferência para sistemas de baixo custo (e baixo desempenho, dadas as
limitações para instalar componentes de topo de gama, normalmente com requisitos térmicos
mais exigentes!).
A tendência de miniaturização subjacente à definição do formato MicroATX continuou, não só
por parte da Intel, que em 1999 desenvolveu a especificação FlexATX (como adenda à
especificação MicroATX), mas também a empresa Via, que em meados de 2000 desenvolveu a
especificação ITX, a qual, através de uma fonte de alimentação especificamente desenvolvida
para o efeito, permite desenhar sistemas de dimensões bastante reduzidas. Realce-se,
contudo, que do ponto de vista dos encaixes mecânicos, todas estas placas são compatíveis. A
tabela seguinte permite a comparação das dimensões físicas destas três placas.
Designação
Larg. Máx. (mm)
Comp. Máx.
(mm)
MicroATX
244
244
FlexATX
229
191
ITX
215
191
Para além destes formatos normalizados, é possível encontrar motherboards com formatos
proprietários, o que deverá ser evitado, uma vez que tais sistemas limitam uma das principais
características dos computadores pessoais, a sua modularidade e flexibilidade. [
2.2. Componentes constituintes
Uma motherboard é constituída pelo seguinte conjunto de blocos, os quais poderá identificar
com relativa facilidade, inspeccionando uma motherboard e, simultaneamente, consultando o
respectivo manual técnico
1. Conector para a CPU (eventualmente mais do que um )
2. Chipset
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•
Gerador de clock
•
Controlador de barramento
•
Timer
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•
Controlador(es) de interrupções (PIC - Programmable Interrupt Controller)
•
Controlador(es) de acesso directo à memória (DMA - Direct Memory Access
3. O contador de tempo real (RTC- Real Time Clock), que mantém o registo da hora
actual - na realidade, o número de segundos desde o dia 1 de Janeiro de 1970, ou
1994!)
4. CMOS RAM (e a respectiva pilha), que mantém a informação sobre a configuração
5. ROM BIOS, que contém as rotinas de baixo nível para controlo dos periféricos
integrados, assim como o programa de configuração (setup)
6. Controladores de periféricos, integrados (inicialmente apenas controladores de portas,
depois gradualmente, controladores de discos, áudio, vídeo, rede e até mesmo
controladores de subsistemas de armazenamento sofisticados como os RAID.
7. Conectores para a memória cache RAM
8. Conectores para a memória central (SIMM/DIMM)
9. Conectores do(s) barramento(s)
10. Conectores para periféricos e para indicadores luminosos e interruptores da caixa
11. Fonte regulável para a CPU (VRM), que fornece à CPU uma tensão adequada e
diferente daquela que é fornecida pela fonte de alimentação.
12. Jumpers (pequenos dispositivos que, normalmente, permitem interligar 2 pinos) para
configurações de natureza não programável, isto é, que dependem apenas das
características dos componentes implantados na motherboard). [6]
3. O Processador
O objectivo principal do computador é a execução de uma série de tarefas
e o processador é o dispositivo que realmente o faz. Por essa razão todo o
objectivo e arquitectura interna do computador estão viradas para este
pequeno dispositivo. Para que estas funcionalidades sejam uma realidade,
o processador tem de ser capaz de ler e escrever informação na memória principal do
computador. Este factor pode ser crítico, pois as tarefas a executar bem como toda a
informação a processar estão, lá, armazenadas.
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Da mesma maneira, o processador tem de ser capaz de transmitir aos restantes dispositivos do
computador a sua função específica para que possa orquestrar com sucesso todas as tarefas
levadas a cabo pelo computador. O modo como essa orquestração é levada a cabo é, então,
uma operação complexa.
O processador está dividido em duas partes principais. A Unidade Aritmética e Lógica (ou
ALU) leva a cabo todas as operações aritméticas e lógicas, bem como uma outra série de
tarefas específicas. A Unidade de Controle (ou CU) é a responsável pela sequência das
instruções a executar, a leitura/escrita da informação armazenada na memória, a
descodificação das instruções e o controle de todos os outros dispositivos do computador.
3.1. Funcionamento do Processador
O CPU recebe continuamente instruções para serem executadas. Cada instrução é uma ordem
de processamento de dados e o trabalho do CPU consiste principalmente em cálculos e
transporte de dados.
O CPU recebe pelo menos dois tipos de dados:
- Instruções acerca do que fazer com os outros dados.
- Dados que serão processados de acordo com as instruções.
O que chamamos instruções é o código de programação, que inclui mensagens enviadas ao
computador, ordens de impressão entre outras.
Os dados são normalmente dados do utilizador, sejam eles informações numa base de dados,
uma folha de cálculo, uma imagem, etc.
A maior carga de trabalho do CPU consiste na descodificação de instruções e localização da
de dados, e os cálculos em si não são o tipo de trabalho muito pesado para um
microprocessador.
A descodificação é no fundo, a percepção de instruções que o utilizador envia para o CPU.
Todos os CPUs dos PCs são compatíveis 8086. Isto quer dizer que os programas comunicam
com o CPU através de um família específica de instruções.
Dado que existe a necessidade dos CPUs das gerações subsequentes poderem utilizar as
mesmas instruções do 8088, foi necessário criar um conjunto de instruções compatíveis. Os
CPUs mais recentes têm de perceber as mesmas instruções. Esta compatibilidade é um
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standard da indústria desde então. Todos os processadores novos, independentemente da sua
geração, têm de ser capazes de perceber e manipular o formato de instruções 8088.
3.2. Cronologia do processador
CPUs
ANO
1ª Geração
8086 e 8088
1978-81
2ª Geração
80286
1984
3ª Geração
80386DX e 80386SX
1987-88
4ª Geração
80486DX, 80486SX
80486DX2 e 80486DX4
1990-92
5ª Geração
Pentium,
Cyrix 6X86, AMD K5,
IDT Winchip C6
1993-95
1996
1997
5ª Geração
Melhorada
Pentium MMX
IBM/Cyrix 6X86MX
IDT Winchip2 3D
1997
1997
1998
Pentium Pro
AMD K6
Pentium II
AMD K6-2
Pentium II portátil
Celeron portátil
Pentium III
AMD K6-3
Pentium III Cumine
AMD Athlon
AMD Athlon Thunderbird
Pentium 4
1995
1997
1997
1998
6ª Geração
6ª Geração
Melhorada
7ª Geração
1999
1999
2000
3.3. Características dos Processadores
3.3.1. Barramentos
Uma das características principais de um processador ou CPU é os seus barramentos. Os
barramentos são “auto-estradas” por onde circula a informação, seja no interior do CPU ou do
interior para o exterior e vice-versa.
Os barramentos internos transportam a informação entre os vários componentes internos do
processador, isto é, coprocessador aritmético, cache L1, registos, etc. [1]
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Os barramentos externos são três: barramento de dados, barramento de endereços e
barramento de controlo, cada qual com a sua função específica.
3.3.2. Registos Internos
Os registos são áreas de armazenamento internas do processador e são usados para guardar
dados que estão a ser “trabalhados” pelo processador. Os registos são o mais rápido de
memória acessível ao processador, isto porque, além de fazerem parte integrante do
processador, também estão ligados directamente à lógica do processador. [1]
3.3.3.Unidade de Interface de Barramentos
É a parte do processador que faz a interface, ou ligação, entre ele e o resto do sistema. O seu
nome vem do facto de lidar com a informação que se movimenta através do barramento de
dados, a ligação primária para a transferência de informação de e para o processador. Ela é
responsável por responder a todos os sinais que vão para o processador e gerar sinais que
saem do processador para o resto do sistema. [1]
3.3.4. Unidade de Controlo
A unidade de controlo é o circuito que controla o fluxo de informação no processador e
coordena as actividades das restantes unidades internas. As funções executadas pela unidade
de controlo variam grandemente de acordo com a arquitectura do CPU. [1]
3.3.5. Coprocessador Matemático
O coprocessador matemático, ou mais correctamente unidade de vírgula flutuante ou FPU
(Floating Point Unit), é dedicado à execução de funções ou operações matemáticas com
números de vírgula flutuante. Um número de vírgula flutuante é aquele que não é inteiro. Os
números inteiros e os dados representados por números inteiros são processados por outro
componente do processador, a Unidade Aritmética e Lógica. [1]
3.3.6. A Unidade Aritmética e Lógica
No Pc grande parte do trabalho é feito com informação inteira, isto é, números inteiros e dados
são representados por números inteiros. Nos inteiros incluímos números, caracteres e dados
similares. Os números que não são inteiros são números de vírgula flutuante.
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É na unidade aritmética e lógica que as instruções são executadas e o trabalho é feito. Nos
processadores mais antigos só existe uma destas unidades, onde as instruções são
processadas sequencialmente. Nos processadores mais recentes já temos mais unidades,
permitindo que mais de uma instrução seja executada simultaneamente. [1]
3.3.7. A velocidade do Processador
A velocidade do relógio de sistema de um computador é medida como frequência ou numero
de ciclos por segundo. Um oscilador de quartzo controla a velocidade de relógio. Quando uma
tensão é aplicada ao quartzo, ele vibra a uma determinada frequência. A oscilação emana do
cristal na forma de corrente alterna na proporção da harmónica do cristal. Esta corrente alterna
é o sinal do relógio.
Um computador trabalha a milhões destes ciclos por segundo, pelo que a sua velocidade é
medida em megahertz (MHz), isto tendo em linha de conta que um Hertz é igual a um ciclo por
segundo. [1]
3.3.7.1. Overclocking
Dado que quase todas as placas principais nos permitem alterar, livremente a velocidade de
processamento da nossa máquina, isto é, podemos configurar a nossa placa para que o nosso
computador funcione, por exemplo, a 800 MHz, mesmo que as características de fábrica digam
que ele é um 600 MHz. [1]
3.3.8. O sistema da Cache
A memória de cache é um bloco de memória de acesso rápido e independente da memória do
sistema, onde o processador guarda temporariamente dados e instruções, a fim de melhorar a
resposta do sistema.
A memória cache fica entre o microprocessador e a memória RAM do computador. O
microprocessador lê blocos de instruções e dados da memória do sistema e coloca-os
temporariamente na memória cache. É a partir desta memória de cache que essas instruções
são descodificadas e executadas. Como o tempo de acesso à memória de cache é muito mais
curto do que o tempo de acesso à memória do sistema, a velocidade de leitura das instruções
é maior e consequentemente a velocidade de todo o sistema aumenta.
O CPU ou o controlador de cache depende do sistema utilizado, lê blocos de informação de
memória do sistema e coloca-os na memória de cache a fim de serem processados. Durante o
seu processamento alguns destes dados na memória de cache podem ser alterados pelo
resultado do cálculo. Se isto acontecer os dados da memória de cache ficaram diferentes dos
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dados correspondentes na memória do sistema, então o CPU deverá actualizar a memória do
sistema com os novos valores, para que o conteúdo da memória cache seja uma imagem real
da memória do sistema.
Existem vários métodos para a actualização destes dados. O método pode variar de
equipamento para equipamento e em alguns casos ele é escolhido pelo utilizador. Dos
métodos conhecidos salientamos o método Write-Through e o método Write-Back.
Write-Through – Método no qual o controlador de cache observa continuamente os dados na
memória de cache e actualiza a memória do sistema sempre que é detectada a alteração da
informação na memória de cache.
Write-Back – No método Write-Back a informação é escrita em blocos e a cada bloco á
associado um bit. Sempre que exista na memória de cache um dado mais recente e diferente
do que o dado correspondente na memória do sistema, este bit muda de estado. Pela análise
deste bit, e sempre que tal se torne necessário, o controlador de cache actualiza a memória do
sistema com o bloco onde a informação foi alterada a fim de evitar erros no cálculo. [2]
4. Memória
Este componente de armazenamento local de acesso rápido é o centro de toda a actividade no
computador. Isto, porque armazena temporariamente toda a informação que o computador vai
precisar. Em termos de comparação, é como um bloco de apontamentos onde o computador
escrevinha durante o normal funcionamento. Toda a informação que contém está associada às
tarefas em execução, após as quais é retirada e o espaço ocupado é associado aos dados das
tarefas seguintes.
A analogia do bloco de notas é perfeitamente indicada para ilustrar o funcionamento da
memória. Nada está permanentemente registado no papel. Basta escrever por cima que toda a
informação anterior é substituída pela nova. Da mesma maneira, não é necessário apagar a
informação que já não interessa. Basta, sim, escrever por cima o novo bloco de informação. A
leitura é possível através do simples acesso directo a um dado local da memória.
A memória pode ser dividida quanto à sua funcionalidade em dois tipos distintos: a RAM
(Random Access Memory) onde o processador pode ler e escrever e a ROM (Read Only
Memory) que apenas pode ser lida e onde, por isso, se guardam normalmente programas e/ou
informação interna do computador. Estes podem-se subdividir em várias classes de acordo
com a tecnologia de fabrico e arquitectura interna.
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RAM
SRAM
DRAM
NVRAM
FIFO
ROM
ROM
PROM
EPROM
EEPROM
FLASH
4.1. Memória RAM
À memória usada para armazenar programas e dados é dado o nome de Random Acess
Memory ou memória de acesso aleatório, e tem como principais características o facto de ser
volátil, isto é, se desligarmos o computador, deixa de haver corrente eléctrica nos seus circuitos
e a informação aí guardada desaparece, e ser também uma memória de leitura e escrita, onde
o processador pode efectuar alterações nos dados guardados nos seus circuitos.
A RAM divide-se em vários tipos, tendo cada um deles as suas características e tecnologias
específicas.
4.2. Memória DRAM
A memória DRAM é a que vem instalada nos PCs e é construída com base numa tecnologia
que torna este tipo de memória mais acessível em termos financeiros. Por consequência vai
ser mais lenta a ler e a escrever os dados nos seus circuitos por parte do processador.
É um tipo de RAM que somente armazena os dados se for continuamente acedida por uma
lógica especial chamada circuito de refrescamento (refresh circuit). Centenas de vezes por
segundo, este circuito lê o conteúdo de cada célula de memória, quer essa célula de memória
esteja ou não a ser utilizada pelo computador. Devido ao modo como cada célula é construída,
esta acção de leitura refresca o conteúdo da memória. Caso isto não seja executado
regularmente, a DRAM perde todo o seu conteúdo, mesmo que continue a ser alimentada.
Devido a esta acção de refrescamento, esta memória é denominada de dinâmica.
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BIBLIOGRAFIA
[1]
José Gouveia e Alberto Magalhães, “Curso Técnico de Hardware”, FCA- Editora de
Informática, Lda., 2.ªEdição, Setembro 2002
[2]
António Sampaio, “Hardware para profissionais”, FCA- Editora de Informática, Lda.,
2.ªEdição, Fevereiro 2002
[3]
http://gec.di.uminho.pt/discip/TextoAC/cap1.html#RepInf (11/2003)
[4]
http://www.bit.pt/revista/capa/bit28.htm (11/2003)
[5]
http//student.dei.uc.pt/~jsilva/informaticabasica/computador/componentes/memoria.html
(11/2003)
[6]
http://piano.dsi.uminho.pt/disciplinas/LIGSC/ConstruirPC/mb_at.htm (11/2003)
[7]
http://www.motherboards.org/articlesd/how-to-guides/924_5.html (11/2003)
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