Arquiteturas de Computadores

Arquiteturas de computadores e o conjunto de hardware interligados, cuja cada componente tem uma função especifica a ser desenvolvida, a junção desse todo se caracteriza um computador e no que ele se propõe a fazer.
Ao passar do tempo foi aperfeiçoando-se cada componente do computador melhorando seu desempenho e agregando maior durabilidade ao mesmo. Com isso trouxe um poder enorme de processamento podendo assim executar mais aplicativos ao mesmo tempo e deu maior vida útil a máquina

Funcionamento das Placas de Video

  As imagens de seu monitor são formadas por pequenos pontos chamados pixels. Mesmo nas resoluções mais baixas, a tela exibe mais de um milhão de pixels e o computador tem que decidir o que fazer com cada um deles para criar uma imagem. Nesse processo, ele precisa da ajuda de um tradutor. Algo que possa transformar os dados binários da CPU em imagens que você possa ver. A menos que o computador tenha capacidade de processamento gráfico embutido na placa-mãe, a tradução acontece na placa de vídeo.

Os quatro componentes principais de uma placa de vídeo são as conexões para a placa-mãe e para o monitor, um processador e a memória

    A CPU trabalha em conjunto com os aplicativos e envia informações sobre a imagem para a placa de vídeo. Então a placa decide como usar os pixels na tela para criar a imagem, enviando depois essa informação para o monitor através de um cabo.

     Criar imagens a partir de dados binários é um processo trabalhoso. Para criar uma imagem 3-D, a placa de vídeo desenha primeiro as bordas da imagem com linhas simples. Depois, ela preenche a imagem, criando os pixels restantes. No fim, ela também adiciona efeitos de luz, texturas e cores. Nos jogos modernos, o computador faz esse processo cerca de sessenta vezes por segundo. Sem uma placa de vídeo para executar os cálculos necessários, o trabalho poderia sobrecarregar o computador.

As placas de vídeo cumprem essa tarefa utilizando quatro componentes principais:

- Uma conexão com a placa-mãe para trocar dados e alimentação de energia;

- Um processador para decidir o que fazer com cada pixel na tela;

- Memória para armazenar informação sobre cada pixel e para salvar temporariamente imagens completas;

- Uma conexão com o monitor para você poder ver o resultado final.

Processador e memória

     

     Semelhante a uma placa-mãe, a placa de vídeo é uma placa com circuito impresso que abriga um processador e memória RAM. Ela também tem um chip com sistema de entrada/saída, chamado BIOS, que armazena as configurações da placa, diagnósticos da memória e dados de entrada e saída durante a inicialização.

     O processador de placa de vídeo, chamado de unidade de processamento gráfico (graphics processing unit - GPU), é semelhante a uma CPU. A diferença é que a GPU foi criada especificamente para executar complexos cálculos matemáticos e geométricos necessários para a renderização gráfica. Algumas GPUs têm mais transistores do que uma CPU comum. Esses processadores gráficos geram muito calor, por isso são posicionados debaixo de um ventilador (cooler) ou dissipador de calor.

     Além de seu poder de processamento, a GPU usa uma programação especial para ajudá-la a analisar e utilizar os dados. As empresas ATI e nVidia produzem a grande maioria das placas de vídeo disponíveis no mercado e cada uma desenvolveu um projeto visando melhorar o desempenho das placas. Para melhorar a qualidade da imagem, os processadores usam:

- Suavização de cena completa: Que suaviza as bordas de objetos 3D;

- Filtro anisotrópico: Que torna as imagens mais nítidas.

     Cada empresa também desenvolveu técnicas específicas para ajudar a GPU a utilizar cores, sombras, texturas e padrões.

Enquanto a placa cria novas imagens, também precisa armazenar em algum lugar as informações sobre as figuras já criadas. Essa informação é armazenada na memória RAM. São guardados dados sobre cada pixel, sua cor e localização na tela. Uma parte da memória RAM também funciona como memória temporária, que armazena imagens completas até o momento de exibi-las. Geralmente, a memória RAM de vídeo opera em altíssima velocidade e o sistema pode ler e escrever informações ao mesmo tempo.

     A memória RAM está conectada diretamente ao conversor digital-analógico, conhecido como DAC (digital-to-analog converter). Esse conversor, também chamado RAMDAC, traduz a imagem para um sinal analógico que o monitor pode utilizar. Algumas placas possuem múltiplos RAMDAC que podem melhorar o desempenho e suportam mais de um monitor.

Principais diferenças entre Memória Principal, Secundária, Caches L1, L2, L3 e Memória Swap

Memória principal e secundária: A memória principal é a memória RAM no qual todos os processos passam por ela, ela faz a troca de informações com a CPU e quando desligamos nosso computador perdemos tudo, diferente da memória secundaria (HD,CD-ROM,DISQUETE) que armazena dados, e quando desligamos nosso computador os dados ficam guardados prontos para o acesso novamente.


Cachês de memória L1,L2 e L3: A L1 é responsável por calcular as instruções feitas pelo processador, já a L1 e L2 são responsáveis pela comunicação entre a memória principal e o processador.


Memória SWAP: Básicamente é uma memória virtual que utiliza o espaço livre no disco rígido, para aumentar a memória RAM quando não é suficiente para armazenar dados de uma determinada aplicação.

Chipset (Ponte Norte e Ponte Sul)

O que é um CHIPSET? Chipset na verdade é um grupo de circuitos que trabalham em conjunto. Ele é um dos principais componentes lógicos de uma placa mãe e são classificados entre ponte norte e ponte sul a ponte norte faz a a comunicação do processador com as memórias, e algumas vezes com barramentos de alta velocidade (AGP e PCI Express). Já a ponte sul, possui os controladores de HDs (ATA/IDE e SATA), portas usb, paralela, PS/2, serial, os barramentos PCI e ISA.

 A figura mostra um diagrama do Chipset de Placa-Mãe;

O desenho mostra Chipset ponte norte e ponte sul

Arquitetura de processadores(ULA, Unidade de Controle e Registradores)

Resumidamente a ULA tem a função de efetuar operações aritméticas e lógicas, além da preparação de informações para desvios de programas. Já a unidade de controle tem a função de gerenciar o fluxo interno dos dados e o instante preciso em que ocorre as transferências entre uma unidade e outra, fornecendo os sinais de controle necessários.

Registradores nada mais é do que elementos digitais no qual tem a capacidade de armazenar dados que se situam no processador.

Memórias cachê L1,L2 e L3

Cachê L1 consiste num tipo de memória cachê que está mais próximo da ULA. Normalmente tem sua capacidade de 8 KB a 128KB. Assim como a L2, é encontrada no processador e é construída a partir de memória SRAM, já que é normalmente utilizada em pequenas quantidades e precisa ser bastante rápida. 

 

O cachê L2 consiste numa memória interna do processador instalada em associação com os transistores cujo objetivo é acelerar a velocidade do sistema, já que armazena as informações mais utilizadas pelo processador, que caso não estivessem nessa memória teriam de ser acessadas na memória RAM.O problema era que muitas vezes o processador tinha que ficar “esperando” os dados serem liberados pela memória RAM para poder continuar a executar as tarefas, o que acarretava na perda de desempenho. Podemos dizer que a memória cachê é um bloco de memória de acesso rápido para o armazenamento temporário de informações mais utilizadas pelo processador evitando que ele tenha que recorrer a comparatividade lenta da memória RAM. 

Já o cachê L3 foi inicialmente utilizado pelo AMD K6-III (por apresentar o cache L2 integrado ao seu núcleo) utilizava o cache externo presente na placa-mãe como uma memória de cache adicional. Ainda é um tipo de cache raro devido a complexidade dos processadores atuais, com suas áreas chegando a milhões de transístores por micrómetros ou picómetros de área. Ela será muito útil, é possível a necessidade futura de níveis ainda mais elevados de cache, como L4.

Tipos de Memória (DIMM, DDR)

Memória DIMM

Os módulos DIMM, ao contrário dos módulos SIMM de 30 e 72 vias, usados nos micros 386, 486 e Pentium, os módulos DIMM possuem contatos em ambos os lados do módulo, o que justifica seu nome, "Double In Line Memory Module" ou "módulo de memória com dupla linha de contato".

Todos os módulos DIMM são módulos de 64 bits, o que eliminou a necessidade de usar 2 ou 4 módulos para formar um banco de memória. Muitas placas-mãe oferecem a opção de usar dois módulos (acessados simultaneamente) para melhorar a velocidade de acesso. Esse recurso é chamado de dual-channel, usar os módulos em pares é opcional; você pode perfeitamente usar um único módulo, mas neste caso o suporte a dual-channel fica desativado.

Memória DDR

A memória DDR (Double Data Rate) é o padrão que substituiu as tradicionais memórias SDR SDRAM (mais conhecidas como "memórias SDRAM" ou, ainda, como "memórias DIMM"), sendo muito bem recebida pelo mercado, especialmente no segmento de computadores pessoais

Como surgiu a memória DDR

Na época em que o processador Pentium III, da Intel, era um dos principais produtos do tipo no mercado, a taxa padrão do FSB (Front Side Bus) essencialmente, a velocidade na qual o processador se comunica com a memória RAM  era de 133 MHz, equivalente a 1.064 MB por segundo. No entanto, sabe-se que, via de regra, o chipset da placa-mãe não utiliza a frequência de FSB para se comunicar com a memória, mas sim a velocidade desta última. Nessa ocasião, o padrão para velocidade das memórias também era de 133 MHz (as conhecidas memórias SDRAM PC-133), que também fornecia uma taxa de transferência de 1.064 MB por segundo. É possível notar, com isso, que havia um certo "equilíbrio" nas velocidades de comunicação entre os componentes do computador.

No entanto, com o lançamento de chips como o Pentium 4, da Intel, e o Athlon, da AMD, esse "equilíbrio" deixou de existir, pois o FSB dos processadores passou a ter mais velocidade, enquanto que as memórias continuavam no padrão PC-133, mantendo a frequência em 133 MHz. Nestas condições, isso significa que o computador como um todo não consegue aproveitar todos os recursos de processamento.

Para usuários do Pentium 4 até havia uma alternativa: utilizar as memórias do tipo Rambus (ou RDRAM). Esse tipo era mais rápido que as memórias PC-133, mas tinha algumas desvantagens: só funcionava com processadores da Intel, possuía preço muito elevado e as placas-mãe que suportavam as memórias Rambus também eram muito caras.

Neste mesmo período, as memórias DDR já eram realidade, mas a Intel tentava popularizar as memórias Rambus, o que a fazia "ignorar" a existência das primeiras. A AMD, por sua vez, precisava de uma alternativa eficiente que pudesse trabalhar integralmente com seus novos processadores. A companhia acabou apostando nas memórias DDR e, a partir daí, este tipo passou a se popularizar, especialmente porque a Intel, logo depois, teve que aderir à ideia.

Mas o simples surgimento das memórias DDR não foi uma solução imediata para os problemas de velocidade entre memórias e  FSB. Somente com o lançamento das memórias Dual-Channel DDR é que a solução se tornou efetivamente eficaz. O assunto que será abordado mais adiante.

Como funciona as memórias DDR

As memórias DDR são bastante semelhantes às memórias SDR SDRAM. Estas últimas trabalham de maneira sincronizada com o processador, evitando os problemas de atraso existentes em tecnologias anteriores. O grande diferencial da tecnologia DDR, porém, está em sua capacidade de realizar o dobro de operações por ciclo de clock (em poucas palavras, a velocidade com a qual o processador solicita operações - entenda mais neste artigo sobre processadores). Assim, enquanto uma memória SDR SDRAM PC-100 trabalha a 100 MHz, por exemplo, um módulo DDR com a mesma frequência faz com que esta corresponda ao dobro, isto é, a 200 MHz.

Mas, como isso é possível? Nas memórias, os dados são armazenados em espaços denominados células. Estas são organizadas em uma espécie de matriz, isto é, são orientadas em um esquema que lembra linhas e colunas. O cruzamento de uma linha com uma coluna forma o que conhecemos como endereço de memória.

Endereço de memória

Via de regra, nas operações de leitura e gravação, só é possível acessar uma linha por vez. Mas as memórias DDR possuem um "truque": elas acessam duas posições diferentes, mas ambas na mesma linha. É por isso que essa tecnologia consegue realizar o dobre de operações por ciclo, uma no início deste e outra no final.

Por causa desta característica, as memórias DDR passaram a contar com um padrão diferente de nomenclatura. Nos módulos SDR SDRAM, encontram-se expressões como PC-100 e PC-133, onde o número indica a frequência. Assim, um pente PC-133 informa que o dispositivo trabalha a 133 MHz. Nas memórias DDR, isso também ocorre, mas considerando a característica de duplicidade por ciclo. Assim, um módulo DDR-200, por exemplo, trabalha, na verdade, à taxa de 100 MHz. Mas, na nomenclatura alternativa, como PC-1600, por exemplo, a quantidade de megabytes transferidos por segundo é que é considerada. Observe a tabela:

Memória	Velocidade
SDRAM PC-100	800 MB/s
SDRAM PC-133	1.064 MB/s
DDR-200 ou PC-1600	1.600 MB/s
DDR-266 ou PC-2100	2.100 MB/s
DDR-333 ou PC-2700	2.700 MB/s
DDR-400 ou PC-3200	3.200 MB/s
Dual DDR-226	4.200 MB/s
Dual DDR-333	5.400 MB/s
Dual DDR-400	6.400 MB/s

OBS: esses valores de transferência são teóricos, ou seja, indicam o alcance máximo. Na prática, uma série de fatores pode influenciar na velocidade de transferência.

Como fazer o calculo:

Em suas operações, as memórias DDR conseguem transferir até 64 bits por vez, ou seja, 8 bytes. Basta então multiplicar este valor pela frequência da memória mais a quantidade de operações por ciclo. Assim, o cálculo de um módulo DDR-400 é o seguinte:

8 (64 bits) x 200 (frequência) x 2 (operações por ciclo) = 3.200

O resultado final é dado em megabytes por segundo.

Embora muito parecidas com as memórias SDR SDRAM, as memórias DDR possuem outro diferencial considerável: trabalham com 2,5 V, contra 3,3 V da primeira. Assim sendo, reduzem o consumo de energia, aspecto especialmente importante em dispositivos portáteis, como notebooks.

Aspectos físicos das memórias DDR

Visualmente, é fácil distinguir as memórias DDR das memórias SDR SDRAM. As primeiras possuem apenas uma divisão no encaixe do módulo, entre os terminais de contato, enquanto que as segundas contam com dois. Além disso, as memórias DDR utilizam 184 terminais, contra 168 pinos do padrão SDR SDRAM.

 

Memória DDR (Observe a abertura entre os terminais)

No que se refere ao encapsulamento (saiba mais sobre isso no artigo Memórias ROM e RAM), os chips DDR geralmente utilizam o padrão TSOP (Thin Small Outline Package), mas também é possível encontrar versões em CSP (Chip Scale Package), embora mais raras.

Dual-Channel DDR

Pode-se considerar o Dual-Channel como uma solução que ameniza o fato de as memórias não acompanharem a velocidade dos processadores. Para isso, o esquema faz com que as memórias DDR transfiram o dobro de dados por vez.

Assim, 3.200 MB por segundo podem ser tornar 6.400 MB por segundo.

Isso é possível porque no chipset da placa-mãe - ou mesmo dentro de processadores, no caso de alguns modelos mais atuais - há um circuito especial chamado controlador de memória, que responde por todos os aspectos de acesso e utilização desta. No Dual-Channel, esse controlador faz com que as memórias DDR possam transferir o dobro de dados por vez, ou seja, em vez de 64 bits, transferem 128 bits (16 bytes). Com isso, o cálculo do tópico anterior passa a ser:

16 (128 bytes) x frequência x 2 (operações por ciclo)

Para ativar o esquema Dual-Channel em um computador, é necessário ter um chipset compatível (ou, se for o caso, um processador). Além disso, é recomendável ter um ou dois pares de módulos de memória idênticos (ou, ao menos, com as mesmas especificações). A igualdade diminui o risco de problemas. Neste ponto, uma dica interessante é adquirir um kit para Dual-Channel, que oferece dois pentes de memória DDR próprios para funcionar neste modo.

As memórias DDR tiveram grande aceitação no mercado, no entanto, como a evolução da tecnologia não para, especialmente no que se refere aos processadores, novos padrões tiveram que ser lançados para acompanhar as velocidades dos chips mais recentes: trata-se das memórias DDR2 e DDR3.