Hardware de Computadores

Hardware de Computadores

1. Está intimamente ligado ao software

2. Processadores

   • É considerado o "cérebro" do computador
   • Busca instruções da memória e as executa
     • Decodifica para determinar seu tipo e operandos
   • Cada CPU tem um conjunto específico de instruções que ela consegue executar
     • Ex: x86, ARM
   • Formalmente chamados de CPU
   • Cada um tem um conjunto específico de funções que conseguem executar
   • Registradores
     • O sistema operacional deve estar ciente de todos os registros
     • Possuem registradores gerais usados para armazenar variáveis e resultados temporários
     • Possuem registradores especiais visíveis para o programador
       • Contador de programa
         • Contém o endereço de memória da próxima instrução a ser buscada.
       • Ponteiro de pilha
         • Aponta para o topo da pilha atual na memória
       • PSW (Program Status Word)
         • Contém os bits do código de condições
   • Modernos
     • Pepeline
       • Possuem unidades de busca, decodificação e execução separadas
     • Superescalar
       • São presente mais de uma unidade de execução
       • Duas ou mais instruções são buscadas simultaneamente, decodificadas e jogadas em um buffer de instrução até que possam ser executadas
   • Sua maioria possui dois modos
     • Núcleo
       • A CPU pode executar todas as instruções em seu conjunto de instruções e usar todos os recursos de hardware
       • Sistema operacional de computadores de mesa e servidores normalmente opera em modo núcleo
     • Usuário
       • Maioria do sistema operacional de sistemas embarcados operam em modo usuário
       • Programas de usuários sempre são executados nesse modo
       • Geralmente são inacessíveis ao usuário instruções envolvendo E/S e proteção de memória
   • "Chamada de sitema"
     • Tem a função de chavear do modo usuário para o modo núcleo
   • Chips Multithread e Multinúcleo
     • Multithread
       • Permite que a CPU mantenha o estados de dois threads diferentes e então faça o chaveamento entre eles em nanosegundos
       • Thread é um tipo de processo leve
     • Multinúcleo
       • Tem quatro, oito ou mais processadores completos nele
   • GPU
     • Unidade de processamento gráfico
     • Milhares de núcleos minúsculos

3. Memória

   • Segundo principal componente de qualquer computador
   • Idealmente deve ser rápida ao extremo, para que o processador não seja atrasado pela memória
   • Sua camada superior consiste em registradores internos a CPU
     • A capacidade de armazenamento disponível neles é tipicamente:
       • 32 x 32 bits em uma CPU de 32 bits
       • 64 x 64 bits em uma CPU de 64 bits
       • Em seguida vem, a memória cache, que é controlada pelo hardware
         • A memória principal é dividida em linhas de cache
           • Tipicamente de 64 bytes
         • Quando o programa precisa ler uma palavra da memória, o hardware confere se a linha requisitada está na cache
           • Se estiver na cache, a requisição é atendida
             • Se não estiver, uma requisição é feita para a memória
           • Na memória cache
             • Há níveis L1, de 16KB cada, e alguns possuem uma segunda cache, chamada chache L2
           • Caching
             • A maioria dos S.Os mantem partes de arquivos na memória principal, para evitar ter que ficar procurando eles no disco
   • Memória ROM
     • Memória somente de leitura, não volátil
     • Rápida e barata
   • Memória flash
     • Meio de armazenamento em dispositivos eletrônicos portáteis
   • CMOS
     • Memória volátil que guarda data e hora atualizadas

4. Discos

   • Disco rígido
     • Mecânico, mais lento e maior.
     • Um ou mais pratos metálicos que rodam a 5400, 7200, 10800 RPM ou mais.
     • Possui um braço mecânico que se move nesse disco a partir de suas laterais
       • Pode ler uma região circular chamada de trilha
         • Trilha é dividida em determinado número de setores
     • As informações são escritas no disco em uma série de círculos
   • SSDs
     • Discos em estado sólido
       • Não têm partes móveis
     • Armazenam dados na memória flash
     • Também armazenam grande quantidade de dados que não é perdida quando a energia é desligada

5. Barramentos

   • Exemplos
     • Cache, memória, USB, SATA, DMI, PCI e PCIe
   • PCIe
     • Sucessor do PCI
     • Fazem a comunicação entre placas de controladoras e a placa mãe, utilizadas em computadores pessoais para transmissão de dados.
   • USB
     • Barramento serial universal
     • Inventado para conectar todos os dispositivos de E/S lentos.
       • Como por exemplo o teclado e o mouse ao computador.
     • "Interroga" os dispositivos de E/S a cada 1 ms para verificar se está ocorrendo algum tráfego de dados
     • Usa um pequeno conector com quatro a onze fios
   • SCSI
     • Interface Pequena de Sistema Computacional
     • Barramento de alto desempenho voltado para discos rápidos, digitalizadores de imagens e entre outros
   • A CPU se comunica com a memória através do PCIe usando um barramento DDR3
   • Plug and Play
     • Faz o sistema coletar automaticamente informações sobre os dispositivos de E/S
   • linhas de comunicação que permitem a interligação entre dispositivos

6. Dispositivos de E/S

   • Controlador
     • É o chip ou o conjunto de chips que controlam fisicamente o dispositivo
     • Aceita comandos do sistema operacional
     • Possui um pequeno número de registradores para se comunicar com ele
   • Dispositivo
     • Parte física
     • Possuem interfaces relativamentes simples
       • Para padronizá-los e por terem poucas funções
   • Software que conversa com o controlador
     • Chamado de driver de dispositivo
     • Cada fabricante de controladores tem que disponibilizar drivers para cada sistema operacional
     • Devem ser colocados dentro do sistema operacional
   • A entrada e saída podem ser realizadas em três maneiras diferentes
     • Um programa emite uma chamada de sistema
     • Usando um chip DMA, que pode controlar o fluxo de bits entre a memória e algum controlador sem intervenção da CPU
     • O driver inicia o dispositivo e pede a ele que interrompa quando terminar