Hardware

A unidade central de processamento (CPU) é a parte do computador que processa dados e executa instruções. Ela executa programas repetindo um ciclo bilhões de vezes por segundo. Sua função é simples de descrever: a CPU processa as instruções e os dados inseridos no computador, para que o resultado possa ser apresentado.

Um microprocessador é um tipo de circuito integrado em um único chip. Uma CPU geralmente é construída como um microprocessador; os pequenos computadores dentro de máquinas de lavar e carros também são microprocessadores.

A maioria dos computadores segue a arquitetura de Von Neumann·: as instruções do programa e seus dados são armazenados juntos na mesma memória principal (RAM), e a CPU os busca um de cada vez, pelos mesmos barramentos, para processá-los.

Componentes da CPU

As partes são unidas por barramentos — conjuntos de fios que transportam informações:

• o barramento de endereços transporta endereços de memória (uma direção);
• o barramento de dados transporta dados e instruções (ambas as direções);
• o barramento de controle transporta sinais de controle.

Registros especiais

Esses registros são usados durante o ciclo de busca-execução.

O ciclo de busca-execução

O ciclo busca-execução tem três etapas, repetidas ininterruptamente:

1. Fetch — a instrução é copiada da memória para a CPU (usando o PC, MAR e MDR). O PC então aumenta em 1.
2. Decodificação — a unidade de controle determina o significado da instrução.
3. Execução — a instrução é realizada (a ALU pode fazer um cálculo, com o resultado indo para o acumulador).

As questões de exame frequentemente pedem a etapa de busca registrador por registrador. Aprenda esta ordem:

1. O endereço no PC é copiado para o MAR.
2. O endereço é enviado pelo barramento de endereços à RAM, e um sinal de leitura é enviado pelo barramento de controle.
3. A instrução nesse endereço é enviada pelo barramento de dados ao MDR.
4. A instrução é copiada do MDR para o CIR.
5. O PC é incrementado (aumentado em 1), para apontar para a próxima instrução.

Em seguida, a CU decodifica a instrução no CIR, e ela é executada: a CU envia sinais, e a ALU faz os cálculos ou comparações necessários, armazenando o resultado no ACC.

Exemplo resolvido (4 pontos). Descreva o papel do MAR e do MDR na etapa de busca. Uma resposta completa: "O MAR armazena o endereço da instrução a ser buscada, copiado do PC (1). Esse endereço é enviado pelo barramento de endereços à RAM (1). A instrução armazenada nesse endereço é enviada pelo barramento de dados e armazenada no MDR (1). O MDR então passa a instrução para o CIR (1)." Cada ponto corresponde a um registrador e ao que ele armazena ou faz.

Memória cache

Cache é uma pequena quantidade de memória muito rápida dentro ou próxima à CPU. Ela armazena dados e instruções que a CPU usa frequentemente. A CPU pode ler do cache muito mais rápido que da memória principal, fazendo o computador funcionar mais rápido.

O que afeta o desempenho da CPU

Exemplo resolvido. Dois computadores são idênticos, exceto que o A tem uma CPU single-core de 3.0 GHz com 2 MB de cache, e o B tem uma CPU quad-core de 2.4 GHz com 8 MB de cache. Qual é melhor para edição de vídeo, e por quê? A edição de vídeo divide-se em muitas tarefas que podem ser executadas simultaneamente, então os quatro núcleos do B podem processar vários fluxos em paralelo enquanto o A só pode trabalhar em um por vez. O cache maior do B também mantém mais dados frequentemente usados próximos à CPU, reduzindo a frequência de buscas na RAM. O B é a melhor escolha, mesmo com a menor velocidade de clock do A. Nunca responda apenas pela velocidade de clock: avalie núcleos, cache e velocidade de clock juntos, vinculando cada um à tarefa sendo realizada.

Conjuntos de instruções

Um conjunto de instruções é a lista de todos os comandos que uma CPU pode processar. Os comandos são código de máquina (binário). Cada família de CPUs tem seu próprio conjunto de instruções, então um programa em código de máquina para um tipo de CPU não será executado em outro tipo.

Sistemas embarcados

Um sistema embarcado é um pequeno computador construído dentro de um dispositivo maior para realizar uma única função fixa. Ele é dedicado a essa tarefa, geralmente é pequeno e de baixo custo e não tem um sistema operacional de uso geral. Exemplos: uma máquina de lavar, um micro-ondas, um conversor de TV, o gerenciamento do motor de um carro, um sistema de segurança, um sistema de iluminação e uma máquina de venda automática.

Isso é diferente de um computador de uso geral, como um computador de mesa ou um notebook, que pode executar muitos programas diferentes para realizar muitas tarefas diferentes. Para decidir se um dispositivo é embarcado, pergunte: ele realiza uma única função específica?

Um dispositivo de entrada envia dados para dentro do computador.

Uma tela sensível ao toque pode funcionar de três maneiras:

• resistivo — duas camadas são pressionadas juntas no ponto onde você toca;
• capacitivo — ele detecta a pequena carga elétrica do seu dedo;
• infravermelho — seu dedo interrompe uma grade de raios de luz.

Sensores

Um sensor é um dispositivo de entrada que capta dados do ambiente ao seu redor. Ele mede uma grandeza física e a envia ao computador, para que um sistema possa monitorar ou controlar algo sem que uma pessoa faça as leituras. Aprenda quais dados cada um capta:

É fácil confundir dois pares: umidade do ar é a água no ar, umidade é a água em um sólido como o solo; nível mede a altura de um líquido, fluxo mede a velocidade com que ele se move.

Exemplo resolvido (escolhendo um sensor). O bebedouro de uma fazenda deve ser reabastecido quando estiver vazio. Identifique o sensor mais adequado. O sistema precisa saber a altura da água, então a resposta é um sensor de nível. Um sensor de pressão sob o bebedouro também poderia funcionar, mas “nível” é mais adequado à tarefa. Sempre associe o sensor à grandeza que o sistema precisa conhecer.

Um sensor sozinho apenas mede. Em um sistema de controle, um microprocessador toma a decisão e um atuador (um dispositivo de saída) age. O ciclo se repete continuamente. (O material 6 aborda os sistemas automatizados em detalhes.)

Exemplo resolvido (6 pontos). A porta de um trem só deve fechar quando não houver passageiros na passagem. Explique como um sensor e um microprocessador são usados. Uma boa resposta, com um ponto por item:

1. Um sensor de proximidade (ou infravermelho) é instalado junto à porta.
2. O sensor envia leituras continuamente ao microprocessador; uma leitura analógica é primeiro convertida em digital.
3. O microprocessador compara a leitura com um valor armazenado (por exemplo, um objeto a até 20 cm).
4. Se a leitura indicar que há uma pessoa na passagem da porta, a porta permanece aberta (um aviso sonoro pode tocar).
5. Se a leitura indicar que a passagem da porta está livre, o microprocessador envia um sinal ao atuador para fechar a porta.
6. O processo se repete continuamente até que a porta esteja fechada.

Um dispositivo de saída envia dados para fora do computador para o usuário.

Descrição do funcionamento de um dispositivo de saída

Em uma questão como “Descreva como funciona uma impressora a laser”, é atribuído um ponto por etapa correta, na ordem certa; portanto, aprenda o funcionamento de cada dispositivo como uma sequência curta.

Impressora jato de tinta.

1. O driver da impressora transforma o documento em dados que a impressora pode usar. Os dados são armazenados no buffer da impressora (uma pequena memória), para que o computador possa continuar realizando outras tarefas.
2. O cabeçote de impressão se move sobre o papel. Seus minúsculos bicos borrifam gotas de tinta onde a imagem precisa delas. Uma gota é expelida pelo aquecimento da tinta, que forma uma bolha (bolha térmica), ou por um cristal que muda de forma quando uma corrente passa por ele (piezoelétrico).
3. Um motor avança um pouco o papel, e o cabeçote imprime a linha seguinte, até que a página esteja pronta.

Impressora a laser.

1. Os dados são enviados pelo driver e armazenados no buffer da impressora.
2. Um tambor giratório recebe uma carga elétrica. Um feixe de laser percorre o tambor e altera a carga onde a página deve ser impressa, deixando no tambor um padrão correspondente à página.
3. O tambor é revestido com toner (um pó fino), que adere apenas ao padrão carregado eletricamente.
4. O papel carregado eletricamente passa pelo tambor, e o toner é transferido para o papel.
5. O papel passa por um fusor (rolos quentes), que derrete o toner para fixá-lo ao papel.
6. Uma lâmpada remove a carga do tambor, preparando-o para a próxima página.

Impressora 3D. O objeto é projetado com um software de desenho assistido por computador, e o software o divide em camadas horizontais finas. A impressora então constrói o objeto uma camada de cada vez, por exemplo, expelindo plástico derretido por um bico aquecido, e cada camada endurece sobre a camada abaixo.

Alto-falante. Os dados digitais de som são convertidos em um sinal analógico por um conversor digital-analógico (DAC) e amplificados. A corrente variável passa por uma bobina próxima a um ímã, fazendo com que a bobina e o cone preso a ela se movam para dentro e para fora, e o cone vibrante produz as ondas sonoras.

Erro comum. Descrever uma impressora a laser dizendo que “um laser queima a imagem no papel”. O laser nunca toca o papel: ele apenas altera a carga no tambor, e a imagem é formada por toner derretido e fixado pelo fusor.

Armazenamento primário é a memória que a CPU pode usar diretamente. Existem dois tipos.

Ambos são necessários: a ROM diz ao computador como iniciar, e a RAM guarda os programas que você executa.

Armazenamento secundário mantém dados permanentemente, mesmo com a energia desligada. É não volátil e usado para armazenamento de longo prazo. Existem três tipos.

Como cada um funciona. As questões pedem que você descreva o funcionamento de cada tipo:

• Magnético — um disco rígido tem um ou mais pratos que giram. Cada prato é dividido em trilhas (anéis) e setores (partes de uma trilha). Uma cabeça de leitura e gravação, que é um eletroímã, move-se sobre o prato: ela magnetiza áreas minúsculas para gravar dados e as detecta para lê-los. Como tem partes móveis, seu acesso é mais lento que o do armazenamento de estado sólido e ele pode quebrar se cair.
• Óptico — um laser grava cavidades na superfície do disco; as áreas planas entre elas são chamadas de áreas planas. Para ler, um laser ilumina o disco giratório: as áreas planas refletem a luz de volta, as cavidades a dispersam, e as mudanças são lidas como dados binários. CD, DVD e Blu-ray funcionam assim; o Blu-ray usa um laser azul com comprimento de onda menor, por isso suas cavidades são menores e ele armazena mais dados.
• Estado sólido (memória flash) — os dados são armazenados em uma grade de transistores, usando tecnologia NAND ou NOR. Cada transistor tem uma porta de controle e uma porta flutuante. Elétrons presos na porta flutuante armazenam um 0 ou um 1 e permanecem lá com a energia desligada. Não há partes móveis, por isso é rápido, silencioso e resistente.

Quando a RAM enche, o computador pode usar parte do armazenamento secundário como RAM extra, simulada. Isso se chama memória virtual.

A memória virtual é criada como uma área do armazenamento secundário. Os dados são movidos em blocos chamados páginas: uma página que não é necessária naquele momento é movida da RAM para a memória virtual, liberando espaço na RAM para outros programas. Quando essa página é necessária novamente, ela é transferida de volta para a RAM. Isso permite executar mais programas do que a RAM sozinha poderia comportar. O processo é mais lento porque o armazenamento secundário é muito mais lento que a RAM.

Armazenamento em nuvem mantém seus dados em servidores físicos remotos, acessados pela internet, em vez de no seu próprio dispositivo.

• Vantagens: acesso de qualquer lugar em qualquer dispositivo; nenhum hardware de armazenamento local para comprar ou manter; fácil de compartilhar arquivos e fazer backup automaticamente.
• Desvantagens: precisa de uma conexão com a internet funcionando; custo de assinatura recorrente; segurança e privacidade dependem do provedor; você depende desse provedor permanecer disponível e em funcionamento.

Placa de interface de rede (NIC)

Uma placa de interface de rede (NIC) é o hardware que permite a um dispositivo se conectar à rede e enviar e receber dados. Cada NIC tem um endereço MAC embutido.

Endereço MAC e endereço IP

• Um endereço MAC (endereço de controle de acesso de mídia) é um número que identifica um dispositivo físico. O fabricante o define e ele normalmente não muda. Ele é escrito em hexadecimal.
• Um endereço IP (endereço de protocolo de internet) é um número que identifica um dispositivo na rede. Ele é atribuído pela rede e pode mudar.

Assim, um endereço MAC permanece com o dispositivo, enquanto um endereço IP depende da rede que o dispositivo está usando.

Existem duas versões de endereço IP. IPv4 é de 32 bits, escrito como quatro números decimais 0–255 (por exemplo 192.168.0.1); o mais novo IPv6 é de 128 bits, escrito como oito grupos hexadecimais separados por dois-pontos, oferecendo imensamente mais endereços. Um endereço é ou estático (fixo, definido manualmente e inalterável) ou dinâmico (concedido pelo roteador/redes toda vez que o dispositivo se conecta, podendo mudar).

Roteador

Um roteador conecta diferentes redes entre si — por exemplo, sua rede doméstica à internet. Ele lê o endereço IP em cada pacote e o encaminha para a rede correta.

• Aprenda o ciclo busca-decodificação-execução e os registradores especiais: o program counter segura o endereço da próxima instrução, o MAR/MDR carregam o endereço/dado, e o accumulator segura o resultado da ALU.
• O desempenho da CPU melhora com mais cores, um cache maior e uma clock speed mais alta.
• RAM é volátil (perde seus dados sem energia) e guarda programas em uso; ROM é não volátil e apenas-leitura (as instruções de inicialização).
• Em uma questão que peça para “descrever como o sensor e o microprocessador são usados”, escreva o ciclo: o sensor envia a leitura → o microprocessador compara com um valor armazenado → envia um sinal ao atuador → o processo se repete. Cite o sensor que mede a grandeza correta (nível, não fluxo, para um tanque que esvazia).
• Mencione Von Neumann: instruções e dados compartilham a mesma memória. Um microprocessador é um circuito integrado em um único chip.
• Combine os tipos de armazenamento secundário: magnético (HDD, fita), óptico (CD/DVD, lido por laser), estado sólido (SSD, USB, flash — sem partes móveis).
• Um endereço MAC identifica o dispositivo físico e normalmente não muda; um endereço IP é dado pela rede e pode mudar.