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Recursos computacionais de processamento APRESENTAÇÃO Computadores são dispositivos eletrônicos capazes de receber dados, realizar processamentos e retornar as informações processadas. Para isso, é necessária a integração entre a parte física, o hardware, e a parte lógica, o software. Dentre os componentes que englobam o hardware, pode- se citar: (i) processador (CPU); (ii) placa-mãe (barramento); (iii) memórias primárias e secundários, RAM, cache, registradores e unidades de armazenamento sólido e discos); e (iv) dispositivos de entrada e saída, como mouses, teclados, monitores. Nesta Unidade de Aprendizagem, você aprenderá alguns conceitos básicos relacionados às arquiteturas computacionais. Saberá como identificar componentes de hardware, como processador, memória e periféricos. Por fim, conhecerá alguns conceitos de arquiteturas computacionais de servidores. Bons estudos. Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Reconhecer a evolução das arquiteturas computacionais;• Identificar componentes (processador, memória, periféricos e interfaces) de hardware de computadores; • Classificar arquiteturas computacionais de servidores atuais.• DESAFIO A manutenção de computadores pode requerer especialistas com amplos conhecimentos em hardware. Entretanto, a imensa gama de componentes e de tecnologias representa um desafio para a elucidação de problemas observados em dispositivos construídos por diferentes fabricantes. Ao realizar os primeiros testes no computador, você notou que a fonte estava queimada e informou ao cliente que deveria trocá-la. Entretanto, após trocar a fonte e ligar o computador, o sistema operacional não foi carregado, mostrando apenas uma tela sem qualquer mensagem. Além disso, você observou os seguintes detalhes: 1) A ventoinha da CPU estava ligada; 2) O monitor estava ligado, mas nada era exibido; 3) A lâmpada LED conectada ao gabinete também estava ligada; 4) Uma sequência de apitos era emitida do gabinete. O que você deve fazer para compreender os possíveis problemas remanescentes no computador? INFOGRÁFICO Nas últimas décadas, fabricantes usavam a frequência de clock para comparar processadores. Entretanto, nos dias de hoje isso não é o bastante, sendo necessário avaliar outros fatores e tecnologias. Ao comparar processadores, deve-se avaliar a quantidade de núcleos físicos disponíveis, além da quantidade de núcleos virtuais (threads). A frequência de clock também é um fator relevante. Por fim, deve-se considerar a quantidade de memória cache. A Intel é uma das maiores fabricantes de CPUs e atualmente os seus principais produtos são os processadores da família i3, i5, i7 e i9. Neste Infográfico, acompanhe a evolução de performance conforme as gerações usando CPU benchmark como comparativo. Ele apresenta um sistema de pontuação calculado por um sistema próprio, que considera o poder de processamento. Assim, com base em milhões de máquinas que possuem o programa instalado, eles podem comparar processadores de marcas e tecnologias diferentes. CONTEÚDO DO LIVRO Computadores são compostos por uma parte lógica, o software, e uma parte física, denominada de hardware. A função dos computadores é receber dados, processá-los e devolver informações úteis ao usuário. Para que isso ocorra, é necessária uma boa integração entre software e hardware. No capítulo Recursos Computacionais de Processamento, da obra Infraestrutura de TI, você conhecerá a evolução das arquiteturas computacionais, aprenderá a identificar componentes de hardware de computadores, como processador, memória, periféricos e interfaces. Por fim, aprenderá acerca de arquiteturas computacionais de servidores atuais. Boa leitura. INFRAESTRUTURA DE TI Diego César Batista Mariano Recursos computacionais de processamento Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: � Reconhecer a evolução das arquiteturas computacionais. � Identificar os componentes (processador, memória, periféricos e in- terfaces) de hardware de computadores. � Classificar as arquiteturas computacionais de servidores atuais. Introdução Computadores pessoais (PC, do inglês personal computer) são dispositivos vitais no mundo moderno, fazendo parte de diversas tarefas do nosso dia a dia. Em virtude dos sistemas produzidos com interface cada vez amigável, seu funcionamento interno ainda permanece um mistério para a maior parte da população. Neste capítulo, você verá desde o contexto histórico até os compo- nentes de hardware (a parte física de um computador, ou seja, placas e outros componentes eletrônicos) (EQUIPE DIGERATI BOOKS, 2008) que fazem parte de um computador. 1 Evolução das arquiteturas computacionais Primórdios da computação Há certa controvérsia na literatura sobre qual autor teria proposto o conceito de armazenamento na memória de programas de um computador, mas é mais provável que vários tenham chegado à tal conclusão em momentos distintos (KOWALTOWSKI, 1996). A computação surgiu da busca de dispositivos capazes de automatizar cálculos matemáticos, motivada especialmente pela procura de vantagens capazes de levar à vitória na Segunda Guerra Mundial, visto que os computadores eram essencialmente utilizados em projetos militares para cálculos balísticos complexos por meios de funções. Em matemática, função pode ser compreendida como uma correspon- dência entre uma coleção de valores de entrada e um conjunto de valores de saída, por exemplo, em uma função que soma valores, que recebe como entrada dois valores e retorna a saída, em 2 + 2 = 4, a função recebe como entrada 2 e 2, e deve retornar 4. Entretanto, nem todas as funções podem ser computadas, condição averiguada por Alan Turing pela chamada má- quina de Turing nos anos 1930, que consistia em uma unidade de controle (cabeçote) capaz de escrever valores em uma fita (em regiões denominadas células). A seguir, a máquina de Turing deveria realizar o processamento, que compreendia observar os valores gravados na fita, mover a unidade de controle, registrar um estado corrente, executar uma função determinada e gravar um símbolo final, princípios utilizados nos primeiros computadores eletrônicos digitais. Os primeiros supercomputadores eram específicos, ou seja, cada fabricante tinha sua própria arquitetura, e sua história pode ser dividida em gerações — a primeira caracterizava-se por computadores construídos com válvulas a vácuo (Figura 1), como o Univac I e o Ferranti-Mark I. O ENIAC, o primeiro supercomputador, ocupava uma área de 180 m2, pesando mais de 30 toneladas, embora tivesse apenas 200 bits de memória RAM e uma velocidade de 100 kHz (SOUSA FILHO; ALEXANDRE, 2014). A segunda geração de computadores foi marcada pela adoção dos tran- sistores (Figura 1), adotados a partir de 1958 no IBM 1620 e no IBM 1400, período também lembrado pela presença dos mainframe: grandes computadores utilizados por corporações para processamento de uma grande quantidade de dados. Já a terceira geração foi ocupada pelo uso de circuitos integrados monolíticos feitos à base de silício (Figura 1). O uso de chips de circuitos integrados permitiu a construção de computadores cada vez menores, uma vez que os componentes poderiam ser incluídos dentro de um mesmo chip (PEREIRA FILHO, 1984). Recursos computacionais de processamento2 Figura 1. Componentes de hardware: válvula, transistor e circuitos integrados. Válvulas a vácuo (também conhecidas como válvula termiônica ou válvula eletrônica) são os compo- nentes anteriores aos atuais transistores. Um transistor é um dispositivo semicondutor, em geral produzido com o elemento químico silício, cuja principal função consiste em chavear sinais elétricos. Com a evolução dos circuitos integrados, foi possível construir circuitos eletrônicos miniaturizados em um mesmo chip (microchip ou nanochip).Por exemplo, processadores são compostos por transistores inseridos em um circuito integrado. Fonte: (a) Condom-Vilà (2018, documento on-line); (b) From transistors... (2017, documento on-line); (c) Transistor... ([201-?], documento on-line). Válvula (a) Transistor (b) Circuitos integrados (b) Arquiteturas genéricas A quarta geração de computadores foi marcada pelo surgimento das unida- des centrais de processamento (CPU), com os computadores pessoais, mais rápidos, confiáveis e capazes de armazenar uma quantidade maior de dados. Além disso, nessa geração surgiram os sistemas operacionais modernos, como Windows, GNU/Linux e Mac OS X (SOUSA FILHO; ALEXANDRE, 2014). A mudança para hardware e arquiteturas mais genéricas foi possível quando se passou a adotar as redes de interconexão, como NOW e COW. As network of workstations (NOW) podem ser compreendidas como um conjunto de má- quinas conectadas; o uso da rede permite que as máquinas operem conectadas entre si dividindo o processamento e usando memória local. Já as cluster of workstations (COW) são uma evolução das redes NOW, possibilitando a execução de aplicações paralelas (DE ROSE; NAVAUX, 2002). Na quinta geração, foram adotadas novas tecnologias, como máquinas que utilizam arquitetura de 64 bits, processadores que empregam reduced instruction set computer (RISC) ou complex instruction set computer (CISC), 3Recursos computacionais de processamento mudança de single core para multicore, unidades de armazenamento mais velozes, etc., detalhados a seguir. 2 Componentes de hardware Computadores são dispositivos eletrônicos capazes de receber dados, realizar processamentos e retornar as informações processadas, por meio de uma integração entre o hardware (parte física) e o software (parte lógica). Nesta seção, você verá alguns dos principais componentes físicos de um computador moderno, como processador, placa-mãe, memórias e dispositivos de entrada e saída (Figura 2). Para o funcionamento básico de um computador, os dados iniciais devem ser enviados por meio dos dispositivos de entrada (p. ex., um teclado). Os dados trafegam por meio de barramentos (na placa-mãe) até o processador que executará as funções requeridas. Enquanto os cálculos são executados, o processador trabalha em conjunto com diversos tipos de memória. Figura 2. Representação básica da anatomia de um computador. A placa-mãe é respon- sável por apresentar um meio de conexão entre todos os dispositivos (barramentos), por meio dos conectores de entrada e saída, já a CPU por realizar o processamento dos dados, armazenados na memória principal. Para impedir que os dados sejam perdidos na ausência de energia, o computador armazena os dados na memória secundária. Recursos computacionais de processamento4 Processador Também conhecido como microprocessador, unidade central de processamento (central processing unit) ou simplesmente CPU (Figura 3), o processador compreende o componente básico de um computador, responsável por executar cálculos (BOSE, 1996) e que, informalmente, é referenciado como o cérebro do computador. Pode ser dividido em três componentes: unidade lógica e aritmética; unidade de controle; e registradores. Figura 3. Exemplo de um processador, conectado à placa-mãe por meio de uma entrada denominada soquete. Fonte: Preechar Bowonkitwanchai/Shutterstock.com. A unidade lógica e aritmética é responsável por executar operações lógicas, como AND, OR ou NOT, além de operações aritméticas, como somar, subtrair, multiplicar e dividir. A unidade de controle tem a função executar operações de busca, decodificação e execução, e os registradores constituem uma memória armazenada dentro do próprio processador, usada pelo processador para armazenamento temporário enquanto são feitas operações. 5Recursos computacionais de processamento Unidades lógicas e aritméticas foram desenvolvidas inicialmente usando relés: in- terruptores eletromecânicos que restringem a passagem de energia, componentes eletrônicos que eram uma herança do sistema de telefonia e de telégrafos elétricos. Mais tarde, foram substituídos por válvulas (bastante utilizadas nos sistemas de rádio). E, recentemente, foram trocados pelos transistores, incluídos nos microchips de circuitos integrados, cuja função primária consiste em controlar a passagem de energia elétrica. Arquiteturas de processadores Processadores podem adotar a arquitetura RISC, em que se permite um con- junto reduzido de instruções, ou CISC, que possibilita a execução de instru- ções mais complexas. Processadores do tipo RISC têm um menor consumo energético por utilizarem menos transistores que processadores CISC, motivo pelo são utilizados em dispositivos móveis, como smartphones e tablets. Processadores modernos empregam arquiteturas híbridas, englobando tanto CISC quanto RISC, como os computadores desktop baseados na arquitetura x86 (p. ex., os processadores da família 486 da Intel). Tipos de processadores Os primeiros computadores, que utilizavam grandes componentes eletrônicos em módulos que se interconectavam, chegavam a ocupar prédios inteiros. Com a evolução dos circuitos integrados (Quadro 1), os processadores puderam ser desenvolvidos em um único chip de silício, passando a ser cada vez menores (A HISTÓRIA..., 2011, documento on-line). Recursos computacionais de processamento6 Geração Características Exemplos Clock (GHz) Pré-x86 Primeiros microprocessadores desenvolvidos para serem usados em calculadoras Suporte a instruções de 8 bits e endereçamento de até 64 KB Intel 4004 (1972) Intel 8008 (1972) Intel 8080 (1974) 0,0007 a 0,002 GHz Arquitetura x86 (16 bits) x86 é o nome da arquitetura dado a todos os processadores posteriores ao Intel 8086. Suporte a instruções de 16 bits e endereçamento de 1 MB Intel 8086 (1978) Intel 8088 (1978) Intel 80286 (1982) 0,006 a 0,025 GHz x86-32 (386 e 486) x86-32 refere-se a processadores que usam a arquitetura x86 de 32 bits. Muitos processadores modernos passaram a usar essa arquitetura. O Intel 486 foi um dos primeiros a implementar o mecanismo de pipeline (múltiplas instruções executadas em paralelo) Intel 80386 (1985) Intel i486 (1989) 0,033 a 0,1 GHz Guerra Intel/AMD Desde o início dos anos 1990, duas empresas disputaram a fabricação de CPU: Intel e AMD. A Intel apresentou a família de processadores x86-32 que sucederam o 486, denominada Pentium (também referido como 586) Pentium (1993) Pentium PRO (1995) Pentium II (1997) Pentium III (1999) Pentium IV (2001) Pentium I, PRO, II: 0,1 a 0,45 GHz Pentium III: 0,45 a 1,4 GHz Pentium 4: 1,6 a 2,1 GHz A AMD passou a produzir processadores para concorrerem diretamente com a Intel, como as linhas de processadores, K5, K6, Athlon, Duron e Sempron AMD K5 (1996) Athlon K7 (1999) 0,066 a 1,4 GHz Quadro 1. Gerações de processadores (Continua) 7Recursos computacionais de processamento Fonte: Adaptado de A história... (2011). Geração Características Exemplos Clock (GHz) Era de 64 bits (x86-64) Processadores de 32 bits limitavam a 4 GB de memória RAM. Para solucionar essa limitação, a AMD lançou a geração x86-64 (AMD64) Athlon 64 (2003) 1,8 a 2,6 GHz Tecnologia HT A Intel apresentou a tecnologia HT (hyper threading), que permitia simular processadores extras. Pentium 4 HT (2002) Pentium D 64 bits (2005) Pentium Dual Core (2006) Até 4 GHz Multicore Em virtude do superaquecimento em altas frequências, o limite de frequência de clock foi atingido. Com isso, a solução consistiu na implementação de múltiplos núcleos de processamento (multicore) Athlon 64 X2 (2005) Core 2-duo (2006) i3, i5, i7, i9 (2009) < 5 GHz Quadro 1. Gerações de processadores (Continuação) Componentes de processadores modernos A seguir, você verá algumas especificações técnicas utilizadas para descrever processadores (ALENCAR, 2015, documento on-line). � Soquete: entrada usada para conectar o processadorà placa-mãe. Pro- cessadores distintos podem utilizar soquetes diferentes; logo, a troca de um processador pode requisitar também a troca da placa-mãe. � Frequência de clock: quantidade de ciclos por segundo medida em Hertz (Hz). Processadores com maior frequência de clock tendiam a apresentar um desempenho melhor (e um maior aquecimento, o que levou a uma maior necessidade de resfriamento). Com a adoção de Recursos computacionais de processamento8 tecnologias mais avançadas, como processadores de múltiplos núcleos, a frequência de clock deixou de ser sinônimo de desempenho, sendo possível reduzir o clock e o consumo de energia, embora mantendo um desempenho satisfatório. � Overclock: técnica de aumentar o clock do processador quando o usuário executa tarefas que requerem um maior poder computacional. Computa- dores antigos apresentavam um botão físico, denominado TURBO, que aumentava o desempenho em alguns MHz. Processadores modernos têm tecnologias que identificam automaticamente a necessidade de maior poder computacional, aumentando o clock quando necessário e reduzindo novamente para uma maior economia de energia. � Núcleos de processamento (cores; pronuncia-se [có-ris]): os pro- cessadores podem dispor de diversos de múltiplos cores/CPU dentro de um mesmo chip, garantindo, assim, um melhor desempenho (veja mais nas próximas seções). � Chips gráficos: processadores modernos apresentam chips gráficos integrados. Antigamente, placas de vídeo costumavam vir integradas à placa-mãe (onboard). Integrando o chip gráfico ao processador, tem-se um maior desempenho. Entretanto, placas de vídeo de alto desempenho ainda são conectadas à placa-mãe (offboard) por meio de um barramento com alta taxa de transferência (em geral, PCI-Express). Desempenho e eficiência energética Desde os primórdios da computação, o superaquecimento de componentes tem sido um gargalo na computação. Os primeiros computadores, desenvolvidos em universidades ou para fins militares, ocupavam grandes espaços físicos, utilizando relés ou válvulas que apresentavam alto consumo energético. Com a evolução dos microchips de circuito integrado, os computadores se tornaram cada vez menores, permitindo o uso pessoal. E, no decorrer dos anos, os fabricantes passaram a produzir processadores cada vez menores e com um maior número de transistores embutidos. Porém, atualmente chegou-se próximo ao tamanho mínimo possível de transistores funcionais fabricados de silício, representando uma barreira dificilmente transponível para as fabricantes. Com isso, aumentar a potência de processadores exigiria um aumento físico nos processadores, o que representava um entrava para dispositivos cada vez menores. 9Recursos computacionais de processamento Na busca de processadores com maior desempenho, fabricantes apostaram no aumento da frequência de clock, o que levou a máquinas que aqueciam cada vez mais. A dissipação térmica aumenta na medida em que se aumenta o clock; assim, a necessidade de técnicas de resfriamento dos novos componentes eletrônicos, por sua vez, aumentou a exigência de consumo energético, o que representava um entrave para o uso em computadores pessoais. Hyper-Threading Assim, em vez tentar reduzir o tamanho de transistores, os fabricantes passaram a adotar novas estratégias, como a tecnologia de construção de núcleos virtuais [p. ex., tecnologia Hyper-Threading (HT)] produzida pela Intel. Threads podem ser vistas como tarefas enviadas pelo sistema operacional (e de seus processos) para que sejam executadas pelo processador. Processadores multi-threading conseguem lidar com várias threads ao mesmo tempo, ou seja, é graças a isso que se consegue ouvir música e navegar na internet ao mesmo tempo. A tecnologia HT permite que o sistema operacional visualize cada núcleo do processador como se fossem dois, ou seja, para cada núcleo físico, têm-se dois núcleos lógicos; entretanto, o núcleo simulado não tem o mesmo desempenho de um núcleo real, pois a tecnologia apenas otimiza o processamento de threads aproveitando momentos de ociosidade do processador. Segundo a Intel, um núcleo simulado pode ter até 25% da capacidade de um núcleo real (COMO FUNCIONA..., 2012, documento on-line). Cores físicos Mais tarde, percebeu-se que o aumento da quantidade de núcleos representava uma boa estratégia para a melhoria do desempenho, ainda que a adição de vários processadores em uma placa-mãe representasse um aumento nos preços, uma vez que isso exigiria placas-mãe com um maior número de soquetes. Então, os fabricantes passaram a embutir núcleos dentro de um mesmo microchip — processadores com múltiplos cores poderiam processar várias threads ao mesmo tempo, melhorando a execução de programas em paralelo, além de não exigirem mudanças drásticas nas placas-mãe, uma vez que, para adquirir uma melhoria de desempenho, não seria necessário trocar a placa-mãe por outra com mais soquetes, bastando apenas adquirir um processador com uma maior quantidade de núcleos. Recursos computacionais de processamento10 Lei de Moore Em 1965, Gordon Moore, cofundador da Intel Corporation, previu que a capacidade de processamento dobraria a cada 18 meses, enquanto os custos de produção seriam mantidos, prognóstico que ficou mais tarde conhecido como Lei de Moore. Entretanto, especialistas têm apontado que a Lei de Moore pode estar perto do fim, pelo fato de os chips de silício estarem chegando a seu limite térmico. Aumentar a frequência de clock e a quantidade de núcleo pode promover superaquecimento, o que representa um aumento no consumo energético pelo resfriamento. Uma solução seria abandonar os chips de silício e adotar outras tecnologias, como as baseadas em nanotubos de carbono. Mas só o tempo nos dirá se a Lei de Moore persistirá ou não (TRINDADE, 2019, documento on-line). Alternativas para processamento Como apresentado anteriormente, processadores de alto desempenho enfrentam um problema de superaquecimento, o que tem representado um gargalo para melhora de desempenho, além do fato de a redução do tamanho de transistores ter se aproximado de algo fisicamente inviável. Com isso, novas alternativas para processamento genérico vêm sendo alvo de estudos visando a tentar resolver os problemas de desempenho. GPGPU Graphics processing unit (GPU) de alto desempenho se popularizaram espe- cialmente como apelo pela melhoria do processamento gráfico de jogos, o que tem feito com que, nos últimos tempos, placas de vídeo passassem a apresentar um número cada vez superior de transistores, o que está correlacionado a seu exponencial aumento de desempenho (Figura 4). 11Recursos computacionais de processamento Figura 4. Número de transistores em placas de vídeo. Fonte: Adaptada de Nickolls e Dally (2010). Com uma maior disponibilidade de placas de vídeo com um desem- penho superior e um custo menor, o uso de unidades de processamento gráfico tem sido proposto para substituir processadores em tarefas mais simples. Apesar de apresentarem um poder de processamento menor quando comparados com cada core, GPU dispõem de uma quantidade de núcleos bastante superior à das CPU. GPU apresentam uma maior capacidade de processamento em paralelo quando comparada com as CPU, o que faz delas uma boa alternativa para obter desempenho e eficiência superiores (NICKOLLS; DALLY, 2010). Um exemplo são as chamadas general purpose graphics processing unit (GPGPU, ou, em português, “unidade de processamento gráfico de propósito geral”), como aquelas usadas para cálculos de simulações físicas. Os primeiros programas desenvolvidos empregando GPGPU apresentavam um alto desempenho, embora sua codificação fosse complexa, uma vez que programadores precisavam expressar adaptar seus cálculos para executar em uma API gráfica, como o OpenGL (NICKOLLS; DALLY, 2010). Isso tem motivado fabricantes a apostar em arquiteturas para execução de programas em GPU, como a CUDA. Recursos computacionais deprocessamento12 CUDA A compute unified device architecture (CUDA) é uma arquitetura paralela e escalável para placas gráficas da fabricante NVIDIA, a qual possibilita que desen- volvedores construam programas de computador nas linguagens C, C++, Python, Fortran, OpenCL, DirectCompute, etc. A CUDA fornece métodos de abstração para programação em GPU, permitindo que os desenvolvedores se concentrem nas questões importantes do paralelismo, como na projeção de algoritmos paralelos eficientes usando uma linguagem familiar (NICKOLLS; DALLY, 2010). Placas de vídeo têm apresentado um número cada vez maior de núcleos CUDA (Quadro 2). Fonte: Adaptado de Nickolls e Dally (2010). Data Placa Transistores Núcleos CUDA 1997 RIVA 128 (1997) 3.000.000 — 1999 GeForce 256 (1999) 25.000.000 — 2001 GeForce 3 (2001) 60.000.000 — 2002 GeForce FX (2002) 125.000.000 — 2004 GeForce 6800 (2004) 222.000.000 — 2006 GeForce 8800 (2006) 681.000.000 128 2007 Tesla T8, C870 (2007) 681.000.000 128 2008 GeForce GTX 280 (2008) 1.400.000.000 240 2008 Tesla T10, S1070 (2008) 1.400.000.000 240 2009 Fermi (2009) 3.000.000.000 512 Quadro 2. Número de núcleos CUDA e transistores em placas de vídeo Segundo Nickolls e Dally (2010), a computação em GPU é uma tendência em alta, pois o desempenho de processadores single-thread (com apenas um núcleo de processamento) não apresenta uma evolução de desempenho como as obtidas no passado. Assim, o paralelismo permitido pelas GPU surge como uma alternativa para aumentar o desempenho do computador, adicionando um valor maior aos usuários. 13Recursos computacionais de processamento ARM Processadores da arquitetura advanced RISC machine (ARM) são derivados da arquitetura RISC, em geral mais utilizados em dispositivos móveis, mais versáteis e usados para execução de instruções simples com alto desempenho e baixo consumo energético. Por isso, novos fabricantes têm apostado no uso doméstico e em servidores de processadores de arquitetura ARM, como a família de processadores ThunderX fabricada pela Nexus (SERVIDORES..., 2019, documento on-line) ou o processador Kunpeng 920 baseado na arquitetura ARM de 7 nm da Huawei (SOUZA, 2019). Placa-mãe A placa-mãe (motherboard) constitui a principal placa de circuitos de um computador (EQUIPE DIGERATI BOOKS, 2009), interligando processador, memórias e dispositivos de entrada e saída. Nela, está localizado o gerador de clock: um cristal de quartzo responsável por emitir os pulsos que sincronizarão a comunicação entre periféricos. Processadores operam em frequências de clock superiores às da placa-mãe por um fator de multiplicação interno. O clock da placa-mãe é também chamado de clock externo. Além disso, as placas-mãe fornecem os chamados barramentos (bus) de comunicação, linhas de comunicação entre processador, memória, dispositivos de entrada/saída e outros componentes da placa-mãe, além de conexões com componentes externos por meio de entradas conectoras (slots). Por meio dos barramentos, os periféricos são conectados ao computador. O desempenho de um barramento é definido por sua taxa de transferência. São exemplos de barramentos o PCI Express (utilizado para placas de vídeo), o ATA-IDE (empregado para HD antigos), o SATA (utilizado para novos HD e SSD), o M.2 (SSD de alto desempenho) e o padrão USB (usado para uma infinita gama de dispositivos; Quadro 3). Recursos computacionais de processamento14 Fontes: Adaptado de List of... (2003), Born (2017), Smith (2019) e Dent (2017). Tecnologia Taxa de transferência Ano USB 1.0 192 kB/s 1996 USB 2.0 60 MB/s 2000 USB 3.0 625 MB/s 2010 USB 3.1 1,25 GB/s 2013 USB 3.2 2,5 GB/s 2017 PCI Express 1.0 (×1 link) 250 MB/s 2004 PCI Express 2.0 (×1 link) 500 MB/s 2007 PCI Express 3.0 (×1 link) 984,6 MB/s 2011 PCI Express 4.0 (×16 link) 31,51 GB/s 2018 PCI Express 5.0 (×16 link) 63,02 GB/s 2019 Ultra DMA ATA 100 100 MB/s 2002 ATA PIO Mode 0 3,3 MB/s 1986 SATA revision 1.0 150 MB/s 2003 SATA Revision 2.0 300 MB/s 2004 SATA Revision 3.0 600 MB/s 2008 SATA revision 3.2 — SATA Express 2 GB/s 2013 NVMe / M.2 ou U.2 (PCI Express 3.0 × 4 link) 3,938 GB/s 2013 HDMI 2.1 6 GB/s 2017 Quadro 3. Lista de taxas de transferência organizadas por tecnologia 15Recursos computacionais de processamento Chipset Considerado um dos mais importantes componentes eletrônicos da placa-mãe, é responsável pelo controle do fluxo de informação entre processador, memória e periféricos por meio dos barramentos. Em geral, chipsets são divididos em duas seções: � northbridge (na tradução “ponte norte”): responsável pelo controle do acesso à memória, além dos barramentos de maior desempenho, como o PCI-Express; � southbridge (na tradução “ponte sul”): responsável pelo controle de acessos aos periféricos por meio de barramentos de menor desempenho. BIOS/UEFI O basic input/output system (BIOS, ou sistema básico de entrada e saída) é um firmware, isto é, um software que opera em baixo nível (próximo ao hardware) gravado na memória ROM (memória de somente leitura). Ele atua durante a inicialização do computador, executando o power-on self-test (POST, ou, em português, autoteste de inicialização), operando junto ao CMOS, uma memória volátil alimentada por uma bateria, que armazena alterações nas configurações padrão da BIOS definidas pelo usuário na configuração da placa-mãe. Recentemente, o BIOS passou a ser substituído pelo unified extensible firmware interface (UEFI, ou, em português, interface de firmware unificada e extensível), que permite um processo de inicialização mais veloz. Estudo de caso: análise da arquitetura de uma placa-mãe real Nesta seção, você será conhecerá a estrutura de uma placa-mãe real, tendo como exemplo a placa-mãe ASUS PRIME H310M-E/BR (Figura 5). Recursos computacionais de processamento16 Figura 5. Estudo de caso: placa-mãe ASUS PRIME H310M-E/BR. (1) Conector-fonte ATX 24 pinos; (2) conector ventilador da CPU; (3) soquete CPU Intel LGA1151; (4) soquete M.2 3; (5) entrada de memória DDR4 DIMM; (6) conector serial ATA 6Gb/s. Na parte inferior, obser- vam-se as entradas para o painel frontal, além do chipset e da bateria que alimenta a CMOS. Fonte: Adaptada de ASUSTeK Computer (2018). 17Recursos computacionais de processamento A placa-mãe ASUS PRIME utiliza o soquete LGA1151 — Figura 5(3) —, o qual é compatível com processadores da Intel de 8ª e 9ª geração. O chipset deve trabalhar em conjunto com o processador. Logo, o chipset soldado nesse modelo é o Intel H310 (mesmo fabricante do processador). Essa placa tem conectores de entrada e saída para os padrões VGA, HDMI, USB, AUDIO, etc., e é alimentada por uma fonte ATX — Figura 5(1). Note o conector 12V extra para alimentar o processador. Ela ainda pode receber até dois módulos de memória RAM DDR4 DIMM — Figura 5(5). Outros modelos de placas de memória RAM são fisicamente incompatíveis. Há ainda diversas entradas de conexão SATA — Figura 5(6) —, passíveis de utilização para conexão de unidades de armazenamento, como HD, SSD, leitores e gravadores de CD, DVD e Blue-ray. Por fim, pode-se destacar as três entradas PCI-Express, sendo uma delas uma PCI-Express 16 link, que fornece um barramento de alto desempenho geralmente utilizado por placas de vídeo dedicadas. Manual da placa-mãe Placas-mãe de diferentes fabricantes podem apresentar diferentes especificações, aspecto capaz de impactar na maneira como o sistema lida com erros. Por exemplo, ao detectar uma falha de hardware, placas-mãe podem retornar uma sequência de apitos ao ligar o computador, a qual corresponde ao modo como o hardware informa ao usuário sobre qual dispositivo apresenta problemas durante o boot. Geralmente, essa sequência é dada em código Morse por uma sequência de apitos longos e curtos. Cada fabricante de placas-mãe insere diferentes especificações para os apitos, ou seja, o padrão de apitos que aponta problema nos módulos de memória RAM pode ser similar ao de umque aponta problema na placa de vídeo em diferentes placas-mãe. Logo, para que o usuário saiba o que fazer, deve primeiro verificar o manual da placa-mãe. Memórias Em arquitetura da computação, memórias compreendem componentes ele- trônicos que permitem o armazenamento temporário ou definitivo de dados, podendo ser categorizadas em principais (também conhecidas como primárias) e secundárias (Figura 6). Além desses tipos, registradores e a memória cache podem ser classificados como memórias principais que operam de modo mais próximo ao processador. Recursos computacionais de processamento18 Figura 6. Tipos de memória. Registradores e a memória cache estão presentes no pro- cessador. Memórias principais (RAM) e secundárias (HD/SSDs) são inseridas na placa-mãe. Fonte: Adaptada de Siqueira (2014). Memórias principais Em computação, memórias principais são tipos de memória de alto desem- penho utilizadas para carregamento de programas em execução, endereçados diretamente pelo processador. Nessa categoria, encontram-se as denominadas memórias RAM (random access memory, ou memória de acesso aleatório), velozes por sua característica de armazenamento em posições aleatórias, embora sejam voláteis, isto é, perdem suas informações na ausência de ener- gia. O padrão mais utilizado por memórias RAM é a DDR-SDRAM, que significa double data rate — synchronous dynamic random-access memory (ou, em português, memória de acesso aleatório dinâmica síncrona — taxa de dados dupla). Além das memórias RAM, podem ser classificadas como memórias prin- cipais as memórias ROM (ready only memory ou memória de somente leitura), cache e os registradores, sendo as duas últimas inseridas diretamente no processador para armazenamento de dados temporários de processamento. 19Recursos computacionais de processamento Memórias secundárias Apesar de seu alto desempenho, memórias RAM são voláteis, motivo pelo qual requerem métodos de armazenamento que mantenham a informação mesmo na ausência de energia, como os extintos disquetes, os discos rígidos (HD ou HDD), unidades de CD, DVD ou Blue-ray, e os discos de estado sólido (SSD — solid-state drive). Unidades de armazenamento, também conhecidas como memórias secundárias, têm uma capacidade de armazenamento maior, além de um custo relativamente menor quando comparadas com as memórias principais (Figura 7). Figura 7. Unidades de armazenamento (espaço de armazenamento vs. velocidade de leitura e gravação). As linhas do pentágono representam, em uma escala de logaritmo, unidades de medida e de armazenamento e velocidade. A linha pontilhada vermelha representa o espaço de armazenamento, e a pontilhada azul a velocidade de leitura e gravação (valores aproximados). 1 byte: 8 bits Recursos computacionais de processamento20 Periféricos Trata-se de dispositivos eletrônicos que auxiliam na entrada e saída de infor- mações em um computador (Quadro 4). Os dispositivos de entrada permitem o envio de informações do usuário para o computador, sendo os exemplos mais comuns o mouse (controle de cursor) e teclado (digitação). Entretanto, ainda se encaixam nessa categoria scanners (dispositivos para digitalização de documentos), microfones (entrada de áudio) e webcams (câmeras digitais integradas aos computadores). Na categoria de dispositivos de saída, apre- sentam-se os monitores (saída de vídeo), projetores (projeção de vídeo sobre tela), impressoras (geração de material gráfico) e caixas de som (áudio). Nos dispositivos de entrada e saída, concentram-se dispositivos que possibilitam tanto a leitura quanto a gravação de dados, como leitores e gravadores de CD, DVD ou Blue-ray (ambas tecnologias de gravação de disco), além de cartões de memória e pen drives (unidades de armazenamento flash). Dispositivo Exemplo Entrada Mouse Teclado Scanner Microfone Câmera digital (webcam) Saída Monitor Projetor Impressora Caixas de som e fones de ouvido Entrada e saída Leitores/gravadores de CD/DVD/Blue-ray Cartões de memória Pen drive USB Quadro 4. Exemplos de periféricos 21Recursos computacionais de processamento 3 Arquiteturas computacionais de servidores Em computação, um servidor é um computador responsável por disponibilizar algum serviço em uma rede local area network (LAN) ou wide area network (WAN), como os denominados servidores Web, responsáveis por armazenar e disponibilizar acesso a páginas da internet. Grandes companhias armazenam seus servidores em datacenters, em geral alocados em racks e mantidos em salas com temperatura rigidamente controlada. Um servidor deve manter-se ligado o tempo todo, e seus componentes devem ter uma maior resistência a falhas. A seguir, você conhecerá algumas arquiteturas computacionais para ser- vidores, como a arquitetura multiple instruction, multiple data (MIMD), que pode ser dividida em multiprocessadores (quando CPU homogêneas são unidas a um mesmo canal de memória) e multicomputadores (quando computadores são conectados por redes estáticas ou dinâmicas). Ambientes, padrões de acesso e comunicação Segundo a taxonomia de Flynn, pode-se classificar os computadores de acordo com o fluxo de dados e instruções (Figura 8) como (CORSO, 1999): � modelo single instruction, single data (SISD): processadores executam uma única instrução para um fluxo de dados único; � modelo single instruction, multiple data (SIMD): um único programa pode executar sobre múltiplos dados. Os modelos SISD e SIMD apre- sentam uma arquitetura sequencial ou são empregados em domínios específicos, o que os difere de computadores paralelos, que empregam a arquitetura MIMD; � modelo multiple instruction single data (MISD): um único conjunto de dados apresenta um fluxo múltiplo de instruções; � modelo multiple instruction, multiple data (MIMD): diferentes pro- gramas podem operar de maneira paralela, cada um com seus próprios dados. Computadores que utilizam a arquitetura MIMD se diferenciam pela forma de acesso à memória, podendo se dar por meio de multipro- cessadores ou multicomputadores. Recursos computacionais de processamento22 Figura 8. Classificação da arquitetura de computadores. Fonte: Adaptada de Corso (1999). Multicomputadores são constituídos por computadores autônomos para processamento denominados nós, passíveis de unir por meio de redes. Pode- -se visualizar um multicomputador como um grande computador operando de maneira paralela formado por diversos computadores (cada um com seu processador e memória local) interligados por uma rede local. Ainda, seu de- sempenho será diretamente proporcional às características dessa rede (CORSO, 1999). Os chamados clusters de computadores podem ser apresentados nessa categoria. Cluster (do inglês, “agrupar”) pode ser definido como um conjunto de máquinas operando em paralelo, constituindo uma tecnologia de arquitetura escalável, isto é, aquela que permite um fácil e rápido crescimento quando necessário. No multiprocessamento, uma placa-mãe deve fornecer entradas para duas ou mais CPU para um mesmo computador. Para isso, além do hardware, o sistema operacional precisa oferecer suporte para multiprocessamento. Sis- temas de multiprocessamento podem ser symmetric multi-processing (SMP) ou non-uniform memory access (NUMA). 23Recursos computacionais de processamento No SMP ocorre o multiprocessamento simétrico, ou seja, as CPU com- partilham a mesma memória; já no NUMA, há um acesso não uniforme à memória, em que cada CPU é associada a um módulo de memória distinto. Processadores para servidores CPU desenvolvidas especialmente para grandes datacenters e servidores em geral devem ser capazes de processar grandes quantidades de dados em menor tempo, operando em uma escala de 24/7 (24 horas por dia, 7 dias por semana), apresentando uma quantidade de núcleos e memória cache superior à dos processadores para computadores pessoais. É interessante ressaltar que a frequência de clock é próxima ou até mesmo inferior aos valores apresentadospor processadores comuns, uma vez que processadores com frequências mais altas tendem a superaquecer, o que pode reduzir a durabilidade da CPU e aumentar o consumo energético. A seguir, são destacadas algumas fabricantes de processadores destinados a servidores. � Intel: considerada uma das fabricantes de processadores mais tradicio- nais, sua lista de processadores dedicados a servidores inclui a família de processadores Intel® Xeon®, que podem dispor de dezenas de núcleos e são fabricados com uma quantidade até mesmo 10 vezes superior de memória cache quando comparados com os processadores desktop da Intel (FAMÍLIA..., [201-?], documento on-line). � AMD: também fornece uma série de processadores para servidores, como a linha de processadores AMD EPYC SERIES 7001 e 7002, para ambientes de alto desempenho, além dos processadores AMD OPTERON™, que fornecem uma linha de CPU, GPU e dispositivos I/O totalmente integrada com menor consumo energético (OPTERON..., 2020, documento on-line). � IBM: uma das mais tradicionais fabricantes de hardware do mundo, sua linha de produtos IBM Power Systems fornece suporte a servidores corporativos com alta escalabilidade horizontal e aceleração gráfica (POWER..., [201-?], , documento on-line). Recursos computacionais de processamento24 Memórias para servidores Memórias RAM para servidores devem apresentar maior desempenho, estabi- lidade e confiabilidade a longo prazo. A principal diferença entre as memórias dedicadas a servidores e aquelas para computadores pessoais reside nos testes de controle de qualidade — memórias para servidores passam por precisos processos de filtragem para remover prováveis módulos de memória com potencial de apresentar defeito. A HISTÓRIA dos processadores. TecMundo, Curitiba; São Paulo, 16 jun. 2011. Disponível em: https://www.tecmundo.com.br/historia/2157-a-historia-dos-processadores.htm. Acesso em: 3 jan. 2020. ALENCAR, F. Entenda o significado das especificações técnicas dos processadores. TechTudo, Rio de Janeiro, 13 out. 2015. Disponível em: https://www.techtudo.com. br/noticias/noticia/2015/10/entenda-o-significado-das-especificacoes-tecnicas-dos- -processadores.html. Acesso em: 3 jan. 2020. ASUSTEK Computer. Prime H310M-E/BR: motherboard. 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Recursos computacionais de processamento26 SMITH, R. PCI-SIG Finalizes PCIe 5.0 Specification: x16 Slots to Reach 64GB/sec. Anan- dTech, [S. l.], 29 May 2019. Disponível em: https://www.anandtech.com/show/14447/ pcisig-finalizes-pcie-50-specification. Acesso em: 3 jan. 2020. SOUSA FILHO, G. F.; ALEXANDRE, E. S. M. Introdução à computação. João Pessoa: Editora da UFPB, 2014. 138 p. SOUZA, F. Huawei lança processador ARM de 7nm para servidores. Embarcados, [S. l.], 7 jan. 2019. Disponível em: https://www.embarcados.com.br/huawei-lanca-processador- -arm/. Acesso em: 3 jan. 2020. TRANSISTOR Bipolar BJT NPN TO-92 (20und). NET Computadores, São Pedro, [201-?]. Disponível em: https://netcomputadores.com.br/p/2n2222-transistor-bipolar-bjt- -npn/13808. Acesso em: 3 jan. 2020. TRINDADE, R. O que é a Lei de Moore e por que você deve se preocupar com o fim dela. TILT – O canal sobre tecnologia do UOL, São Paulo, 29 jan. 2019. 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No caso dos processadores, antigamente era utilizado a frequência de clock para compará-los. Quanto maior a frequência de clock, maior o desempenho e, consequentemente, maior o preço. Entretanto, novas tecnologias permitiram que processadores tenham uma performance superior, mesmo com baixa frequência de clock. É o exemplo da adoção de múltiplos núcleos embutidos dentro do processador. Logo, para comparar diferentes processadores de um mesmo fabricante ou de fabricantes diferentes, costuma-se usar as técnicas de benchmark, que são conjuntos de testes padronizados que permitem que componentes de diferentes marcas possam ser comparados. Na Dica do Professor, você verá comparações entre processadores, placas de vídeo e unidades de disco. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! EXERCÍCIOS 1) Na arquitetura de von Neumann, um computador deveria ser constituído a partir de quatro partes: (i) unidade de processamento central; (ii) unidade aritmética e lógica; (iii) memórias; e (iv) as unidades de controle. São exemplos de componentes em computadores modernos que podem ser enquadrados em memórias: A) Placa-mãe. B) Processador. C) Registradores. D) Mouse. E) Chipset. 2) Em computação, um servidor é um computador responsável por disponibilizar algum serviço. O que diferencia um computador pessoal de um computador servidor é a necessidade de alta disponibilidade, devendo ser construído para permanecer ligado por longos períodos. Além disso, seus componentes devem ter uma maior resistência a falhas. Servidores adotam a arquitetura MIMD. No modelo MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data), diferentes programas podem operar de maneira paralela, cada um com seus próprios dados. Computadores que utilizam a arquitetura MIMD diferem-se pela forma de acesso à memória. São caraterísticas da arquitetura MIMD: A) Multiprocessadores e multicomputadores. B) Multiprocessadores e execução de instruções únicas. C) Redes estáticas e execução singular. D) Multicomputadores e arquitetura sequencial. E) Arquitetura sequencial e execução singular. A frequência de clock corresponde à quantidade de ciclos por segundo medida em Hertz (Hz). Processadores com maior frequência de clock tendiam a apresentar um desempenho maior (apesar de que nem sempre isso ocorria). Entretanto, nos últimos anos a oferta dos fabricantes por processadores com frequências mais altas reduziu, dando prioridade ao aumento de núcleos dentro da mesma unidade física do 3) processador. São motivos para essa mudança de paradigma: A) Uma mudança de estratégia acordada pelos grandes fabricantes de processadores: Intel e AMD. B) Superaquecimento proporcionado pelas altas frequências de clock que requisitavam métodos cada vez mais robustos de refrigeração, o que aumentava o consumo de energia. C) Processadores com múltiplos núcleos e baixa frequência apresentam um custo menor de fabricação, uma vez que utilizam fibras de carbono em sua composição. D) Fabricantes de software não estavam preparadas para processadores de alta frequência, o que gerou uma restrição de produção. E) Processadores de 64 bits exigem baixas frequências de clock para funcionar corretamente. 4) Barramentos (bus) são linhas de comunicação entre processador, memória, dispositivos de entrada/saída e outros componentes da placa-mãe, além de conexões com componentes externos por meio de entradas conectoras (slots). Os periféricos são conectados ao computador por meio dos barramentos e a sua eficiência é medida pela taxa de transferência. Qual dos seguintes barramentos apresentado é o mais indicado para aplicações que demandam uma alta taxa de transferência? A) SATA Revision 3.0. B) PCI Express 5.0 (×16 link). C) HDMI 2.1. D) USB 1.0 E) SATA revision 1.0. 5) Memórias são componentes eletrônicos que trabalham em conjunto com o processador para permitir o armazenamento temporário ou definitivo de dados. Elas podem ser categorizadas como "principais" ou "secundárias". São exemplos de memórias secundárias: A) SSD. B) Memória RAM. C) Memória cache. D) Registradores. E) CPU. NA PRÁTICA José foi contratado como Técnico em Informática de uma empresa de médio porte que trabalha com suporte ao usuário final. Certo dia, um cliente pediu auxílio para montar um computador. José deverá observar os requisitos do cliente e auxiliar na escolha das peças. Neste Na Prática, você verá como José decidirá quais as melhores peças para o computador do cliente. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! SAIBA + Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor: História e Evolução dos Computadores Computadores estiveram presentes na história da humanidade desde o século passado e têm evoluído constantemente. Nesta matéria, você conhecerá a história e evolução da computação através de várias gerações. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! i3, i5, i7 e i9: entenda a diferença entre os processadores da Intel A Intel é um dos maiores fabricantes de CPUs da atualidade. Nesta matéria, você conhecerá o significado das nomenclaturas usadas nos processadores da Intel mais recentes: i3, i5, i7 e i9. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! Arquitetura de processadores: RISC e CISC Nesta matéria, você conhecerá um pouco mais a respeito da arquitetura de processadores: CISC (Complex Instruction Set Computing, Computador com um Conjunto Complexo de Instruções) e RISC (Reduced Instruction Set Computing, Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções). Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! Entendendo a arquitetura de processadores, a era dos 64 bits Recentemente, processadores passaram a trabalhar com endereçamentos de memória de 64 bits, o dobro da geração anterior. Isso permitiu que computadores pudessem endereçar mais do que 4GB de memória RAM. Nesta matéria, você conhecerá a era de processadores de 64 bits, a sua evolução através dos anos e seus detalhes técnicos. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino!
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