Apostila de manutenção de computadores e rede

Apostila de manutenção de computadores e rede

(Parte 5 de 10)

Os processadores comuns trabalham apenas com lógica digital binária. Existem processadores simples, que realizam um número pequeno de tarefas, que podem ser utilizados em aplicações mais específicas, e também existem processadores mais sofisticados, que podem ser utilizados para os mais diferentes objetivos, desde que programados apropriadamente.

Processadores geralmente possuem uma pequena memória interna, portas de entrada e de saída, e são geralmente ligados a outros circuitos digitais como memórias, multiplexadores e circuitos lógicos. Muitas vezes também um processador possui uma porta de entrada de instruções, que determinam a tarefa a ser realizada por ele. Estas seqüências de instruções geralmente estão armazenadas em memórias, e formam o programa a ser executado pelo processador.

Em geral, fala-se que um processador é melhor do que outro na medida em que ele pode realizar uma mesma tarefa em menos tempo, ou com mais eficiência. Processadores podem ser projetados para tarefas extremamente específicas, realizando-as com eficiência insuperável. Este é o caso nos processadores que controlam eletrodomésticos e dispositivos simples como portões eletrônicos e algumas partes de automóveis. Outros visam uma maior genericidade, como nos processadores em computadores pessoais.

Os processadores formam a classe mais elevada de circuitos digitais, precedidos pelas máquinas de estado e unidades de lógica e aritmética.

Clock

Afinal, o que vem a ser clock? Clock é um sinal usado para sincronizar coisas dentro do computador. Dê uma olhada na Figura 2, onde mostramos um típico sinal de clock: é uma onda quadrada passando de “0” a “1” a uma taxa fixa. Nessa figura você pode ver três ciclos de clock (“pulsos”) completos. O início de cada ciclo é quando o sinal de clock passa de “0” a “1”; nós marcamos isso com uma seta. O sinal de clock é medido em uma unidade chamada Hertz (Hz), que é o número de ciclos de clock por segundo. Um clock de 100 MHz significa que em um segundo existem 100 milhões de ciclos de clock.

Figura 2: Sinal de clock.

No computador, todas as medidas de tempo são feitas em termos de ciclos de clock. Por exemplo, uma memória RAM com latência “5” significa que vai levar cinco ciclos de clock completos para começar a transferência de dados. Dentro da CPU, todas as instruções precisam de um certo número de ciclos de clock para serem executadas. Por exemplo, uma determinada instrução pode levar sete ciclos de clock para ser completamente executada.

No que diz respeito ao processador, o interessante é que ele sabe quantos ciclos de clock cada instrução vai demorar, porque ele tem uma tabela que lista essas informações. Então se há duas instruções para serem executadas e ele sabe que a primeira vai levar sete ciclos de clock para ser executada, ele vai automaticamente começar a execução da próxima instrução no 8o pulso de clock. É claro que esta é uma explicação genérica para um processador com apenas uma unidade de execução – processadores modernos possuem várias unidades de execução trabalhando em paralelo e podem executar a segunda instrução ao mesmo tempo em que a primeira, em paralelo. A isso chamamos arquitetura superescalar e falaremos mais a esse respeito mais tarde.

Então o que o clock tem a ver com desempenho? Pensar que clock e desempenho são a mesma coisa é o erro mais comum acerca de processadores.

Se você comparar dois processadores completamente idênticos, o que estiver rodando a uma taxa de clock mais alta será o mais rápido. Neste caso, com uma taxa de clock mais alta, o tempo entre cada ciclo de clock será menor, então as tarefas serão desempenhadas em menos tempo e o desempenho será mais alto. Mas quando você compara dois processadores diferentes, isso não é necessariamente verdadeiro.

Se você pegar dois processadores com diferentes arquiteturas – por exemplo, de dois fabricantes diferentes, como Intel e AMD – o interior deles será completamente diferente.

Como dissemos, cada instrução demora um certo número de ciclos de clock para ser executada. Digamos que o processador “A” demore sete ciclos de clock para executar uma determinada instrução, e que o processador “B” leve cinco ciclos de clock para executar essa mesma instrução. Se eles estiverem rodando com a mesma taxa de clock, o processador “B” será mais rápido, porque pode processar essa instrução em menos tempo.

E há ainda muito mais no jogo do desempenho em processadores modernos, pois processadores têm quantidades diferentes de unidades de execução, tamanhos de cache diferentes, formas diferentes de transferência de dados dentro do processador, formas diferentes de processar instruções dentro das unidades de execução, diferentes taxas de clock com o mundo exterior, etc. Não se preocupe, pois nós falaremos sobre tudo isso neste tutorial.

Como o sinal de clock do processador ficou muito alto, surgiu um problema. A placa-mãe onde o processador é instalado não podia funcionar usando o mesmo sinal de clock.Se você olhar para uma placa-mãe, verá várias trilhas ou caminhos. Essas trilhas são fios que conectam vários circuitos do computador. O problema é que, com taxas de clock mais altas, esses fios começaram a funcionar como antenas, por isso o sinal, em vez de chegar à outra extremidade do fio, simplesmente desaparecia, sendo transmitido como onda de rádio.

Figura 3: Os fios na placa-mãe podem funcionar como antenas.

Clock Externo

Os fabricantes de processadores começaram a usar, então, um novo conceito, chamado multiplicação de clock, que começou com o processador 486DX2. Com esse esquema, que é usado em todos os processadores atualmente, o processador tem um clock externo, que é usado quando dados são transferidos de e para a memória RAM (usando o chip da ponte norte), e um clock interno mais alto.

Para darmos um exemplo real, em um Pentium 4 de 3,4 GHz, estes “3,4 GHz” referem-se ao clock interno do processador, que é obtido quando multiplicamos por 17 seu clock externo de 200 MHz. Nós ilustramos esse exemplo na Figura 4.

Figura 4: Clocks interno e externo em um Pentium 4 de 3,4 GHz.

A grande diferença entre o clock interno e o clock externo em processadores modernos é uma grande barreira a ser transposta visando aumentar o desempenho do computador. Continuando com o exemplo do Pentium 4 de 3,4 GHz, ele tem que reduzir sua velocidade em 17x quando tem que ler dados da memória RAM! Durante esse processo, ele funciona como se fosse um processador de 200 MHz!

Diversas técnicas são usadas para minimizar o impacto dessa diferença de clock. Um deles é o uso de memória cache dentro do processador. Outra é transferir mais de um dado por pulso de clock. Processadores tanto da AMD como da Intel usam esse recurso, mas enquanto os processadores da AMD transferem dois dados por ciclo de clock, os da Intel transferem quatro dados por ciclo de clock.

Por causa disso, os processadores da AMD são listados como se tivessem o dobro de seus verdadeiros clocks externos. Por exemplo, um processador da AMD com clock externo de 200 MHz é listado como tendo 400 MHz. O mesmo acontece com processadores da Intel com clock externo de 200 MHz, que são listados como se tivessem clock externo de 800 MHz.

A técnica de transferir dois dados por ciclo de clock é chamada DDR (Dual Data Rate), enquanto que a técnica de transferir quatro dados por ciclo de clock é chamada QDR (Quad Data Rate).

ANATOMIA DE UM DISCO RÍGIDO

Introdução

Desmontamos um disco rígido para mostrar a você os principais componentes que você encontrará em um disco rígido.

Os discos rígidos possuem dois tipos de componentes: internos e externos. Os componentes externos estão localizados na placa de circuito impresso chamada placa lógica, enquanto que os componentes internos estão localizados em um compartimento selado chamado HDA ou Hard Drive Assembly.

Figura 1: Um disco rígido.

Você não pode abrir um disco rígido ou poderá correr o risco de inutilizá-lo. Os discos rígidos são montados em salas limpas (mais limpas do que centros cirúrgicos) e então são selados. Qualquer partícula de poeira dentro do HDA pode destruir a superfície do disco, já que os discos giram em alta velocidade (pelo menos 5.400 rpm nos dias de hoje). Isso não fará apenas com que haja perda de dados, mas também a destruição física da superfície do disco.

Por isso, não há muito que fazer dentro do HDA – pelo menos pelo técnico comum. Apenas empresas de recuperação de dados equipadas com salas limpas podem abrir e substituir componentes dentro do HDA. Por outro lado, a placa lógica pode ser substituída por qualquer técnico e este é um procedimento muito importante para recuperação de dados em discos rígidos considerados “mortos”. Brevemente postaremos um tutorial explicando como isso é feito.

Antes de explorarmos os componentes localizados tanto na placa lógica quanto dentro do HDA, daremos uma olhada nos conectores encontrados em um disco rígido.

Conectores

Os discos rígidos possuem basicamente dois conectores, um de alimentação e outro para troca de dados com o computador. Este segundo conector é mais conhecido como “interface”. A interface mais comum para usuários finais é chamada de ATA (Advanced Technology Attachment), enquanto que a interface SATA (Serial ATA) foi criada para substituir a ATA e começa a se tornar popular no mercado. Após o lançamento do SATA, a interface ATA passou a ser chamada de PATA (Parallel ATA). Uma outra interface famosa é a SCSI (Small Computer Systems Interface), mas ela é voltada para o mercado de servidores de rede e raramente utilizada em computadores para usuários finais.

Figura 2: Conectores em um disco rígido com interface ATA.

O jumper mestre/escravo (master/slave) em discos rígidos ATA pode ser configurado de três maneiras:

  • Mestre: Significa que este é o único disco rígido que estará ligado ao cabo ou será o primeiro disco rígido quando dois discos forem ligados ao cabo.

  • Escravo: Significa que este é o segundo disco rígido que estará ligado ao cabo.

  • CS (Cable Select): Significa que, com a utilização de um cabo “especial”, chamado CS, a configuração de quem será o mestre e o escravo será determinada pela posição do disco rígido no cabo e não pela configuração do jumper.

Figura 3: Conectores em um disco rígido com interface SATA.

O padrão Serial ATA introduziu um novo conector de alimentação, que é muito diferente do conector padrão utilizado por discos rígidos. Como o padrão Serial ATA está começando a aparecer no mercado, você encontrará discos rígidos Serial ATA com ambos os conectores de alimentação, como mostramos na Figura 3. Você precisa usar apenas um deles, não os dois ao mesmo tempo.

Placa Lógica

Na placa lógica você encontrará todos os circuitos responsáveis por controlar o disco rígido. Atualmente, com o alto grau de integração existente, você encontrará apenas três ou quatro circuitos integrado grandes na placa lógica, como você pode ver nas Figuras 4 e 5. Dê uma olhada nas figuras, logo abaixo explicaremos mais sobre os circuitos mostrados abaixo.

Figura 4: Placa lógica de um disco rígido ATA.

Figura 5: Placa lógica de um disco rígido SATA.

O circuito maior é o controlador do disco rígido. Ele é responsável por controlar tudo: as trocas de dados entre o disco e o computador, o controle dos motores do disco rígido, o controle das cabeças para leitura e escrita dos dados, etc.

Opcionalmente, pode haver um circuito Flash-ROM onde o firmware do disco rígido fica armazenado. Firmware é o nome dado para todos os programas armazenados em memória ROM (Read Only Memory). O firmware do disco rígido é o programa que o seu controlador executa. Algumas vezes, esse circuito está embutido no controlador, como é o caso do disco rígido da Figura 5.

O controlador não consegue suprir corrente suficiente para ligar ou mover os motores do disco rígido. Por isso, todos os discos rígidos usam um chip chamado “driver dos motores”. Este chip é um amplificador de corrente. Ele recebe os comandos enviados pelo controlador para os motores e então repassa tais comandos para os motores, mas com uma corrente maior. Ou seja, este chip é localizado entre o controlador do disco rígido e os motores.

O quarto chip principal que você pode encontrar na placa lógica é o chip de memória RAM (Random Access Memory), também conhecido como buffer. Este chip tem uma importância crucial no desempenho do disco. Quando maior for a sua capacidade, maior será a taxa de transferência entre o disco e o computador. Você pode descobrir a capacidade do buffer do seu disco rígido indo no site do fabricante do chip na Internet.

A capacidade dos chips de memória é dada em Megabits, enquanto que o uso de Megabyte refere-se a capacidade de armazenamento da memória. Por isso precisamos dividir o valor dado em Megabit por oito para obter o resultado em Megabytes. Portanto, a capacidade deste chip é de 2 MB (Megabytes) e dizemos que o disco rígido possui um buffer de 2 MB.

Na Figura 5 você pode ver um outro chip, que é o chip conversor SATA/ATA. Muitos fabricantes, em vez de desenvolverem um chip controlador Serial ATA, simplesmente pegam os seus chips controladores ATA e adicionam um chip conversor para converter discos rígidos Serial ATA em interface ATA. Este é o caso do disco rígido da Figura 5, que utiliza o chip conversor Marvell 88i8030. Portanto, apesar desse disco rígido ter interface Serial ATA, ele não é “verdadeiramente” Serial ATA (não é um disco rígido Serial ATA “nativo”), já que o seu controlador ainda é um chip ATA.

Você pode estar se perguntando como nós sabemos a funcionalidade de cada chip na placa lógica. Na verdade, é muito simples e você pode aprender essa dica com a gente. Simplesmente digite os números localizados na primeira linha do encapsulamento do chip no Google e ele retornará com várias informações a respeito do chip! Por exemplo, para obter informações sobre o chip Flash-ROM usado no disco rígido da Figura 4, digite M29F102BB e o primeiro item retornado pelo Google será a página da ST Microelectronics com todos os detalhes técnicos deste chip.

Motor dos Pratos

Na Figura 6 mostramos o HDA após a remoção da placa lógica. Lá você pode ver claramente o motor dos pratos e seus contatos – que conecta este motor na placa lógica -, e também os contatos dos dispositivos dentro do HDA, como o atuador voice coil e as cabeças.

Figura 6: HDA sem a placa lógica.

Em discos rígidos voltados para o mercado de desktops, o motor dos pratos gira a 5.400 rpm, 7.200 rpm ou até mesmo 10.000 rpm, dependendo do modelo do disco rígido. Quanto maior for a velocidade de rotação do motor, maior será a velocidade com que os dados podem ser lidos dos pratos. Discos rígidos voltados para o mercado de notebooks geralmente possuem velocidade de rotação de 4.200 rpm.

Por dentro do HDA

Nós removemos a cobertura do disco rígido para mostrar a vocês como é um disco rígido por dentro. Não faça isso com o seu disco rígido ou você irá danificá-lo. Se você é curioso, abra apenas discos rígidos que já estejam danificados (nosso disco rígido estava com defeito).

Figura 7: Partes internas principais de um disco rígido.

O conector que você ver na Figura 7 está situado no lado oposto do conector da Figura 6.

O disco rígido pode ter vários discos. O disco rígido mostrado em nossa figura tinha três discos. Existe uma cabeça de leitura/gravação para cada lado do disco – que também é chamado de prato. As cabeças ficam montadas em um braço. Por isso, todas as cabeças movimentam-se juntas.

Figura 8: Vários discos dentro do disco rígido.

Um motor (na verdade o termo correto é “atuador”) chamado voice coil move o braço. Ele é chamado “voice coil” porque ele utiliza a mesma idéia por trás dos alto-falantes: uma bobina dentro de um campo magnético gerado por um ímã. Dependendo da direção da corrente na bobina o braço move-se para um lado ou para o outro, e dependendo da intensidade da corrente, o atuador moverá mais ou menos. Removemos a “tampa” superior (na verdade o ímã superior) do voice coil para você dar uma olhada, veja na Figura 9.

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