Hardware

Fornecimento de Energia

Tensão: Diferença no potencial elétrico Corrente Elétrica: Quantidade de elétrons em um tempo x

• É gerada através do movimento dos elétrons

• Energia Potencial (tensão) > Energia Sinética (movimento)

DC (Direct Current): Contínua (pilhas/baterias) AC (Alternating Current): Alternada (tomada) Resistor: Resistência elétrica, controla a passagem dos elétrons Efeito Joule: Energia cinética transformada em energia térmica no Resistor

Unidades de Medida

• Volt (V) = Tensão

• Ampere (Amps/A) = Corrente elétrica

• Ohm (Ω) = Resistência

• Watt (W) = Potência, eficácia elétrica

WATTS = VOLTS X AMPERES Potência = Tensão X Corrente elétrica

Campo Elétrico

Direção da corrente elétrica e campo magnético no fio

Sentido do vetor do campo elétrico

Campo elétrico

Corrente AC/DC

Correntes AC/DC

Litografia

• Gravura em placas de silício; construção de transistores em chips de processadores

Nanômetro (nm): Unidade de medida utilizada para chips

$1nm = 1 metro / 10⁹$ (um bilhão)

Processo de Litografia

🔗 How to Make a CPU: From Sand to Shelf | bit-tech

Lógica Digital

Dimensão dos Dados

Dimensão dos Dados

• bits → Bytes = $n*8$

• Bytes → bits = $n/8$

Portas Lógicas

• George Boole / Álgebra Booleana

• OR → Adição

• AND → Multiplicação

Portas: Objeto que recebe uma entrada binária e retorna uma saída binária

Portas Lógicas

Sistema Binário

Tabela ASCII: Associa números binários a letras/números/caracteres; 8bits = $2^8$ = 256 caracteres

• Números binários negativos → inverter os bits

Bases Numéricas

Binário para Decimal

Operações em Binário

Soma em binário

Subtração em binário

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Armazenamento

Bit: Binary digit; menor unidade de memória Transmissão de dados:

• Via cabo SATA: HD, SSD

• Via slot: NVMe (Express)

Partição: Divisão lógica de um dispositivo de armazenamento (em um único drive); dados são escritos em setores/blocos de 512 bytes Volume: Abstração de um dispositivo de armazenamento pelo Sistema Operacional; forma de organizar partições em um ou mais dispositivos de armazenamento,

Logical Block Addressing (LBA)

• Lista linear de endereços (metadados) para mapeamento de setores

• Cada elemento da lista aponta para um setor (partição)

Master Boot Record (MBR)

• 32 bits; sistema antigo

• Setor especial no primeiro cilindro é reservado como setor de boot; permite registro de até 4 partições

• $2³² * 512 bytes = 2 TB$

GUID Partition Table (GPT)

• 64 bits

• Usa GUIDs (identificadores universais únicos) para identificar partições e seu tipo

• Necessita de partição ESP (EFI System Partition)

• $2⁶⁴ * 512 bytes = 8 ZB$ (Zettabyte)

Memórias

• Em processos de leitura e escrita em um local na memória principal, primeiro o processador checa se o dado já está na cache

  • Se estiver, utiliza o dado da cache ao invés de uma memória mais lenta

Hierarquia de Memórias

Cache do Processador

• Armazena dados recentes e frequentemente acessados

• Menor e mais rápida memória utilizada pela CPU

• Armazena cópias de dados da memória local/disco (HD/SSD)

• Diminui tempo e energia de acesso a RAM

• Transferência de dados em blocos fixos (linha ou bloco de cache)

Cache do Processador

Entrada de Cache

• Quando um bloco de dados (linha de cache) é copiada da memória para a cache, uma entrada cache é criada, contendo os dados e endereço (tag)

Cabeçalho de entrada cache

• linha/bloco de cache → dados

• tag → endereço

• flag de bits → somente um bit de flag (valid bit), que indica se um dado bloco foi carregado com dados válidos ou não

Topologia de Memória

RAM

Random Access Memory

• Memória Principal

• Armazenamento de dados temporários dos aplicativos; acesso extremamente rápido à qualquer parte do dispositivo

• Utiliza capacitores

Memory Controller Chip (MCC): Ponte entre a CPU e a RAM External Data Bus (EDB): Linha de fios que interconectam as partes do computador Address Buss: Conecta a CPU a MCC e envia o endereço de memória do dado

CPU → Address Bus → MMC ↳ envia endereço do dado MCC → busca na RAM o dado a partir do endereço MCC → EDB → CPU ↳ envia o dado

Célula: Menor unidade endereçavel (8 bits / 1 byte) Endereço: Código de identificação da localização das células Operações:

• Escrita: Transferência de informações de outro componente do sistema de computação para a memória (CPU → memória)

• Leitura: Transferência de bits da memória para a CPU, disco

Capacidade

$T = N * M$ T = capacidade em bits N = $2^n$ ; $n$ é o número de linhas do barramento de endereços M = número de bits de cada célula

Capacidade da Memória Principal

HD

Hard Disk/Drive

• Eletromecânico; gravação magnética e aleatória

• HD Desktop = 3,5”/9cm

• HD Notebook = 2,5”/6cm

• Não desfragmentar com frequência

• Se apaga o caminho, não o dado

• É possível a sobrescrição de dados (porém HD busca sempre espaços vazios)

• Recuperação de dados → Lógica (recria endereços de dados) e Física

Conexões

• Interface IDE (PATA)

• Interface SATA (Serial ATA)

  • SATA I → até 150 MB/s

  • SATA II → até 300 MB/s

  • SATA III → até 600 MB/s

• Interface SESI

Rotação

• 4200/5400/7200 RPM

• SCSI (Banco de Dados) ➡ 1980 RPM

Arquitetura do HD

Discos do HD

USB

Universal Serial Bus

USB Pinagem

Velocidades de Transferência USB

• 2.0 = 480 Mb/s

• 3.0 = 5 GB/s

• 3.1 = 10 GB/s

Cálculo de velocidade de transferência

• Converter de bits/s para Bytes/s

• $s = d/t$

• s - speed | d - data size | t - transfer time

• velocidade = tamanho do arquivo / taxa de transferência

Exemplo: arquivo de 1 GB transferido via USB 2.0 (480 Mb/s) $480 * 8 = 60 MB$ $1GB = 1024 MB$ $s = 1024 / 60$ $s ≃ 17,07 s$

Conectores

Conectores USB

RAID - Redundant Arrays of Independent Disks: Técnica que utiliza uma combinação de vários discos em vez de um único, para aumentar o desempenho, a redundância de dados ou ambos

DAS - Direct Attached Storage: HD, SSD, USB NAS - Network Attached Storage: armazenamento via rede SAN - Storage Area Network: servidor envia pedidos por blocos específicos ou segmentos de dados de discos específicos (armazenamento de blocos); comunicação via rede

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Placa-mãe

• Circulação do sistema do computador que conecta todas as partes

Form Factors: ATX | ITX Portas: Pontos para conexão de dispositivos que estendem a funcionalidade do computador Chipsets: Northbridge | Southbridge Periféricos: Qualquer dispositivo conectado externamente que adicione alguma funcionalidade

Arquitetura Placa-mãe

Firmware

ROM Chip (Read-only memory chip): Armazena a BIOS, não volátil Bateria CMOS: Configurações de Boot, data, hora etc Drivers: Instruções para a o Firmware (BIOS ou UEFI) reconhecer um dispositivo externo POST (Power-on self test): Teste de componentes de hardware antes da inicialização dos drivers/SO ACPI (Advanced Configuration and Power Interface): Facilita que o SO encontre Hardware para configurar e gerenciar energia AHCI (Advanced Host Controller Interface): Comunicação com controladores SATA/HDs

CPU

Central Processing Unit

Programa: Instruções que dizem o que o computador deve fazer Registradores: Armazenamento dos dados utilizados pela CPU Soquetes: Land grid array (LGA) | Pin grid array (PGA)

• Conjunto de instruções

  • 64 bits = endereços de memória c/ 64 bits de largura

  • nº de bits = número de linhas do barramento de dados

Ciclo de Instrução

• Primeiro bit significativo identifica se é positivo (unsigned - 0) ou negativo (signed - 1)

Ciclo de Instrução

Exemplo 1

Exemplo 2

Jump

Recursos Computacionais

Clock

• Sincroniza as operações de processamento (cálculos)

• GHz (bilhões/s)

  • Clock Wire: Meio de transmissão do clock

  • Clock Cicle: Pulso de voltagem que inicia ciclo

  • Clock Speed: Medida em gigahertz (bilhões de ciclos por segundo)

Overclocking: Técnica para exceder o limite de ciclos do processador

Clock do processador

Pipeline

• “Segundo clock” do processador que aumenta a eficiência do processamento, acelera até 1,5x

• Divide a execução de instruções em várias etapas permitindo a execução simultânea de outras instruções

• Não acelera a execução individual de cada instrução, mas permite o paralelismo de instruções

  • Pararelismo: Realização de tarefas executadas em simultâneo

Análise de Fluxo de Dados: Análise da fila de instruções

Dependência de Dados Verdadeira: Quando o processamento de uma instrução depende do resultado de outra

Princípio Estatístico Comprovado: Armazena instruções repetidas pelo usuário com o objetivo de aumentar a eficiência e diminuir o processamento desnecessário de informações duplicadas

Execução Especulativa: Processador utiliza a análise de fluxo de dados para uma decodificação antecipada

Predição de Desvio: Processador utiliza a análise de fluxo de dados para encontrar uma dependência de dados verdadeira , assim possibilitando um desvio, uma ordem específica de processamento que otimize sua execução e evita que o processador fique ocioso

• Predição Estática: Avalia o conteúdo da memória cache e histórico de processamento.

• Predição Dinâmica: Avalia toda a fila de processamento (memórias cache e RAM) e o histórico de processamento

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Desktop

Cuidados

• Descarga eletrostática causa danos

  • Fazer aterramento do corpo

• Utilizar sacos eletrostáticos para componentes

Montagem

• Fixação da Placa-mãe

• CPU

  • Adicionar pasta térmica (melhor transferência de calor)

  • Instalar dissipador de calor

• RAM

  • Intercalar slots

• HD/SSD

• Ventoinha (fan) do Gabinete

• Fonte de Alimentação

  • Fixar no gabinete

  • Conectores

    • ATX 20+4 pinos | Alimentação placa mãe

    • Molex 8 pinos | CPU

    • SATA | Alimentação

    • PCI Express 6 pinos | Placa de vídeo

    • IDE | ultrapassado

    • EPS 4+4 pinos | Alimentação antiga

    • Floppy Drive | ultrapassado

• Placa de vídeo

  • Slot PCI-Express

  • Prender no gabinete (se for o caso)